Com s’aconsegueix un xip: visita de fons globals

Sempre em fascina saber què és realment necessari per fer que els dispositius que donem per descomptat, i cap procés que conec és tan complex, complicat o important com fer que els processadors que alimentin telèfons, ordinadors i servidors. que corren la nostra vida diària. Així que vaig saltar l’oportunitat de visitar la fàbrica d’avantguarda de GlobalFoundries a Malta, Nova York, per veure com ha evolucionat la instal·lació de fabricació de xip (o fab) en els darrers anys.

És un procés sorprenent: la fab inclou més de 1.400 eines avançades per fabricar patates fregides, totes connectades entre elles, i fer una oblea típica que conté patates fregides pot trigar fins a sis mesos. M’ha impressionat molt la complexitat creixent d’aquest procés i l’extraordinària precisió que cal per fer els xips que tots fem servir.

He visitat la fàbrica –el que es coneix com Fab 8– abans, quan estava en construcció i quan acabava de començar a produir els seus primers productes: processadors dissenyats per als nodes de procés de 32nm o 28nm.

La planta es troba en un lloc interessant: el Luther Forest Technology Campus de Malta, aproximadament mitja hora al nord d’Albany. Des de fa anys, l’estat de Nova York pressiona per aportar més tecnologia a la regió, amb esforços incloent suport per als col·legis SUNY Institute Polytechnic College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) i el complex Albany Nanotech, un dels xips més avançats del món. instal·lacions d’investigació, que inclou representants de GlobalFoundries, Samsung, IBM, moltes universitats de recerca i tots els fabricants líders d’eines d’elaboració de xips. AMD havia signat per construir una fàbrica al complex; quan AMD va separar les seves operacions de xifratge per convertir-se en GlobalFoundries el 2009 (actualment propietat de la Mubadala Investment Company d'Abu Dhabi), la nova companyia va construir la fàbrica.

En la meva última visita fa gairebé sis anys, la primera fase, que incloïa una sala neta de 210.000 peus quadrats per a la fabricació real, estava a punt i funcionava i feia producció primerenca, mentre que la fase 2, amb 90.000 peus quadrats addicionals, estava en construcció.. Hi havia 1.300 persones al lloc, però relativament pocs productes s’estaven fent en aquell moment.

(Imatge de GlobalFoundries)

Avui, les dues primeres fases són una habitació neta de 300.000 peus quadrats (300 peus d'ample per 1000 peus de llarg) i una fase 3 addicional de 160.000 peus quadrats també està en ple funcionament. Vaig veure molta activitat i es van produir moltes hòsties de silici farcides de patates fregides.

Tom Caulfield, SVP i director general de Fab 8, va remarcar que GlobalFoundries havia invertit molt més a Nova York que el seu compromís original. Quan es va planificar la fabrica per primera vegada, la companyia es va comprometre a una inversió de 3, 2 mil milions de dòlars, i un cap directe de 1.200 persones per una nòmina anual de 72 milions de dòlars. Ara, va dir, la companyia ha invertit més de 12.000 milions de dòlars, i té uns 3.300 empleats i una nòmina anual de $ 345 milions. I això ni tan sols compta entre els 500 i els 700 individus que treballen a la fàbrica, però són empleats per altres entitats, va assenyalar, com ara tècnics que treballen per a venedors d'eines com ASML, Applied Materials o LAM Research.

GlobalFoundries també opera el que ara anomena Fab 9 a Burlington, Vermont i Fab 10 a East Fishkill, Nova York, que són fàbriques més antigues que va adquirir per IBM. La companyia també té grans fàbriques a Dresden, Alemanya, on treballa en el seu procés de silicona aïllant FDX; Chengdu, Xina; i a Singapur. En general, la companyia diu que té més de 250 clients.

Caulfield va dir que la fabricació és una font única per als processadors AMZ de Ryzen, les GPUs de Radeon i els xips del servidor Epyc, però també té desenes d'altres clients.

GlobalFoundries és una de les quatre empreses que fabrica xips lògics d’avantguarda. Les altres són Intel, que principalment fa xips per al seu propi ús; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), la pionera fosa de xips, que fa xips per a molts clients diferents i és la principal competència de GlobalFoundries; i Samsung, que fa una mica d’ambdues coses.

Dins de la fàbrica

En aquesta visita, a mi i a diversos periodistes més, se’ns va fer un recorregut per les instal·lacions i vam arribar a conèixer com es fabriquen les fitxes. En lloc de començar per la sala neta on es fabriquen els xips, la visita va començar a la "sub-fab", la gran zona situada sota la sala neta que gestiona els equips necessaris per fer funcionar les eines que fabriquen les fitxes. Inclou els sistemes de maneig elèctric, mecànic, d’aigua i de productes químics.

John Painter, director general d’instal·lacions, que va fer el recorregut per aquesta zona, va explicar que tot el lloc inclou més de 70.000 peces d’equips, bona part dels quals admeten les eines més petites de fer xips de la sala neta. Quasi totes aquestes eines han de ser refredades, i funcionen millor en temperatures previsibles, en certes condicions d’humitat i pressió, de manera que es dedica un esforç important per controlar el medi ambient. Es fa més complex perquè les eines s’actualitzen constantment, amb algunes que es mouen i d’altres queden fora de les instal·lacions. Painter va explicar que en general es requereix sis vegades més espai per a l'equip de suport que per a la sala neta.

Vam veure zones que processen l’aigua depurada refrigerada que s’utilitza en la fabricació i purins químics per a coses com polir les neules. La fàbrica té instal·lacions complexes de controlar i controlar aquests sistemes, que són capaços de mesurar les coses en parts per triló, de manera que poden detectar qualsevol fuga en el sistema, així com un sofisticat sistema de seguretat de la vida. La subfabrica té un sostre de 30 peus i la zona de la Fase 2 inclou un entresòl per facilitar als tècnics arribar a tots els equips. Aquest pis conté moltes àrees separades amb equips individuals (des d’àrees d’emmagatzematge d’aigua i productes químics fins a sistemes de vigilància), amb canonades de quilòmetre que la connecten a la sala neta de dalt. Vaig observar que bona part de les canonades es duplicaven, amb sensors dins de les canonades per detectar si hi havia una fuga.

També hi ha diversos edificis in situ, inclòs un edifici d’utilitat central amb calderes i refredadors més grans, sistemes de residus a granel, etc.

En general, la fàbrica utilitza 80 megawatts de potència, que es subministren per dues línies de 150.000 volts dobles. És fonamental que la potència sigui contínua, ja que qualsevol variació podria interrompre la fabricació i possiblement danyar les neules que es processen. Per tant, la instal·lació compta amb un sistema de SAI, volants i un generador de gasoil.

Em va interessar especialment la quantitat d'espai requerit pel nou equipament de la EUV (que en parlaré més endavant). Fins i tot a la planta baixa, aquest equipament exigeix ​​una àrea massiva, inclosa la seva pròpia sala neta en miniatura, on les eines produeixen una font de llum làser d’alta intensitat, que es doblega per terra fins a l’eina EUV de la sala neta. El propi sistema EUV necessitava nous sistemes elèctrics i de refrigeració, juntament amb aigua ultra pura, i dipòsits i canonades especials que redueixen la contaminació de partícules.

Per incorporar el sistema EUV a l'edifici, es va tancar primer la fàbrica principal. Es va instal·lar una grua de 10 tones al sostre i després es va tallar un forat al lateral de l’edifici per tal de traslladar el nou sistema massiu al seu interior. Aquest procés es va ajudar en part per un sistema de disseny d’ordinadors 3D que utilitzava imatges escanejades que captaven la col·locació dels equips existents fins al nivell del mil·límetre.

Fins a la sala neta

(Imatge de GlobalFoundries)

Per visitar la sala neta, vam haver de vestir-nos amb els "vestits de conill" (vegeu la meva foto a la part superior d'aquesta publicació), dissenyada per reduir el nombre de partícules de la zona i el risc que una partícula així pugui interrompre la hòstia. processament

Una cosa que vaig observar és que, mentre que hi ha moltes màquines al terra del saló net, més de 1.400, segons GlobalFoundries, no hi ha molta gent.

Christopher Belfi, un enginyer principal per a les operacions de fabricació, que ens va fer el recorregut per la sala neta, va explicar que l'objectiu és tenir zero operadors a la planta. Belfi va dir que les úniques persones que veieu són la instal·lació o el manteniment de les eines.

(Imatge de GlobalFoundries)

En lloc que els tècnics desplacen hòsties d'una eina a una altra, les hòsties s'encaminen entre les eines a través dels pods unificats d'obertura frontal o FOUPs, com s'anomenen, cadascun dels quals té 25 hòsties, i podeu veure que es mouen per sobre per tota la sala neta. En total, hi ha 550 vehicles a 14 quilòmetres de pista que es mouen i s’emmagatzemen hòsties entre eines. Aquests també mouen reticles (les màscares de xip que guien la llum per a cada capa de fabricació de xips) entre una instal·lació d’emmagatzematge central fins a les eines on s’utilitzaran. Això no redueix el nombre de persones necessàries, va dir Belfi, ja que encara s'han de controlar les eines, però redueix el temps i els errors. Va assenyalar que, en un moment donat, desenes de productes es troben en diverses etapes de fabricació, per a diverses desenes de clients, i cada producte té el seu propi conjunt de reticles i el seu propi procés específic que utilitza diferents eines. Belfi va anomenar Fab 8 "la fab més automatitzada del món". Per descomptat, també és un dels més nous.

Algunes de les fab tenen llum groga, ja que en un moment de la història del procés de fabricació era important assegurar-se que l’hòstia no estava exposada a la llum normal. Tot i això, aquests dies les neules no estan exposades a la llum exterior, per la qual cosa és menys necessari.

Hi ha molts passos implicats en la fabricació d’una hòstia i cadascun té la seva pròpia àrea de la sala neta: implant (afegint ions al silici), planarització mecànica química o CMP (poliment de l’hòstia), difusió, deposició de pel·lícula fina, litografia i gravar. Les eines de metrologia utilitzades per mesurar les característiques de xip a cada pas del camí es troben a tota la fabrica.

Solem parlar de litografia (que es refereix a fer servir la llum per exposar un patró a l’hòstia), ja que és el que s’ha convertit en el pas més complicat dels darrers anys. La tècnica actual, que consisteix en utilitzar llum de 193nm en un líquid (coneguda com a litografia d’immersió), ja no és prou fina per crear els elements més petits d’un xip en una sola passada, així que per a nodes com 14nm i 7nm, s’exposen múltiples exposicions (de vegades es requereix un patró doble o fins i tot patró quad). L’ultraviolada extrema o l’UEV és una alternativa més complexa, però que pot ser necessària si seguim aconseguint funcions més petites en xips, i GlobalFoundries està en procés d’instal·lar dues d’aquestes màquines EUV, amb espai per a dues més. (Ja tindré més detalls en la propera publicació.) Ja que això no està llest, de moment tots els xips realitzats a GlobalFoundries (i de fet, tots els xips comercials que conec de fabricats en qualsevol lloc) es produeixen amb litografia d’immersió. Però tots els passos són crucials, i qualsevol error en qualsevol pas probablement farà que les fitxes siguin inútils.

En total, un xip actual pot implicar fins a 80 capes, i encara més passos a mesura que passen les hòsties entre els diferents passos del procés, sobretot quan es retrocedeixen entre litografia i gravat en cada pas de multi-patró (pot trigar mesos per produir un xip típic de gamma alta). És un procés fascinant i que estic contenta de veure de primera mà.

En la meva propera publicació, em centraré més en els equips de la UEV instal·lats recentment a la fàbrica, així com en els plans de GlobalFoundries per a futurs passos en el procés d'elaboració de xips.

És curiós la teva velocitat a Internet de banda ampla? Prova-ho ara!