Как се прави чип: посещение на globalfoundries

Винаги съм очарован да науча за това, което наистина е необходимо, за да направим устройствата, които приемаме за даденост, и нито един процес, за който знам, не е толкова сложен, сложен или важен, колкото да направим процесорите, които захранват телефоните, компютрите и сървърите които управляват ежедневието ни. Затова скочих с възможността да посетя водещата фабрика на GlobalFoundries в Малта, Ню Йорк, за да видя как се развива съоръжението за производство на чипове през последните няколко години.

Това е невероятен процес - fab включва над 1400 усъвършенствани инструменти за създаване на чипове, всички свързани заедно, и изработката на типична вафла, която съдържа чипове, може да отнеме до шест месеца. Бях много впечатлен от непрекъснато нарастващата сложност на този процес и изключителната точност, която е необходима, за да направим чиповете, които всички използваме.

Аз съм посещавал фабриката - известна като Fab 8 - преди, когато е била в процес на изграждане и когато току-що е започнала да произвежда първите си продукти: процесори, проектирани за 32 nm или 28 nm технологични възли.

Заводът е на интересно място: кампусът на Лутер Forest Technology в Малта, на около половин час северно от Олбани. Години наред щата Ню Йорк се стреми да внесе повече технологии в региона, като усилията включват подкрепа за Коледжите на научния и инженерния наноразмер SUNY Polytechnic Institute и CNSE и Albany Nanotech Complex, един от най-модерните чипове в света изследователска база, която включва представители от GlobalFoundries, Samsung, IBM, много изследователски университети и всички водещи производители на инструменти за създаване на чипове. AMD беше подписала за изграждане на фабрика в комплекса; когато AMD раздели своите операции по чиппинг, за да стане GlobalFoundries през 2009 г. (сега изцяло притежавана от Mubadala Investment Company на Абу Даби), новата компания построи фабриката.

При последното ми посещение преди почти шест години първата фаза - която включваше чиста стая с 210 000 квадратни фута за реално производство - беше току-що работеща и започваше ранно производство, докато Фаза 2 с допълнителни 90 000 квадратни фута беше в процес на изграждане, На място имаше 1300 души, но по това време се правеха сравнително малко продукти.

(Изображение от GlobalFoundries)

Днес тези първи две фази са единична чиста стая от 300 000 квадратни фута (300 фута широка на 1000 фута) и допълнителна фаза 3 от 160 000 квадратни фута също е в пълна експлоатация. Видях много активност и се произвеждаха много силиконови вафли, пълни с чипове.

Том Коулфийлд, SVP и генерален мениджър на Fab 8, подчерта, че GlobalFoundries са инвестирали много повече в щата Ню Йорк, отколкото първоначалните им ангажименти. Когато първоначалният план е бил планиран, компанията се ангажира с инвестиция от 3, 2 милиарда долара и директен брой от 1200 души за годишна заплата от 72 милиона долара. Сега, каза той, компанията всъщност е инвестирала повече от 12 милиарда долара и има около 3 300 служители и 345 милиона долара годишна заплата. И това не е дори броят на 500 до 700 други лица, които работят във фабриката, но са наети от други предприятия, отбеляза той, като техници, които работят за доставчици на инструменти като ASML, Приложни материали или LAM Research.

GlobalFoundries също управлява това, което сега нарича Fab 9 в Бърлингтън, Вермонт и Fab 10 в Източен Fishkill, Ню Йорк, които са по-стари фабрики, които е придобил от IBM. Компанията има и големи фабрики в Дрезден, Германия, където работи по своя процес FDX силикон на изолатор; Ченду, Китай; и в Сингапур. Като цяло компанията казва, че има повече от 250 клиенти.

Каулфийлд каза, че fab е един източник за процесорите на Ryzen на AMD, графичните процесори Radeon и сървърните чипове на Epyc, но има и десетки други клиенти.

GlobalFoundries е една от четирите компании, която прави водещи логически чипове. Другите са Intel, която основно прави чипове за собствена употреба; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), пионерната леярна за чипове, която прави чипове за много различни клиенти и е основната конкуренция на GlobalFoundries; и Samsung, което прави малко и от двете.

Вътре в завода

По време на това посещение аз и няколко други журналисти бяха разгледани в съоръжението и трябва да чуя как се правят чиповете. Вместо да започнете с чистата стая, където чиповете всъщност са произведени, обиколката започна в „подфабриката“, обширната площ под чистия кабинет, която обработва оборудването, необходимо за стартиране на инструментите, които правят чиповете. Това включва електрическите, механичните, водните и химическите системи.

Джон Пейнтър, старши директор на съоръженията, който направи обиколката на този район, обясни, че целият сайт включва над 70 000 бройки оборудване, голяма част от които поддържат по-малките инструменти за създаване на чипове в чистия кабинет. Почти всички тези инструменти трябва да бъдат охладени и всички те работят по-добре при предвидими температури, при определени условия на влажност и налягане, така че се влагат значителни усилия за контрол на околната среда. Това се прави по-сложно, защото инструментите се обновяват постоянно, като някои се придвижват, а други излизат извън съоръжението. Пейнтър обясни, че като цяло отнема шест пъти повече място за поддържащото оборудване, отколкото за чистата стая.

Видяхме области, които обработват охладената пречистена вода, използвана в производството, и химически суспензии за неща като полиране на вафли. Fab има сложни съоръжения за наблюдение и контрол на тези системи, които могат да измерват нещата в части на трилион, така че да могат да открият всяка теч в системата, както и сложна система за безопасност на живота. Подфабриката има таван от 30 фута, а зоната Фаза 2 включва мецанин, за да улесни техниците да достигнат цялото оборудване. Този етаж съдържа много отделни зони с отделни части от оборудването (от складови помещения за вода и химикали до системи за мониторинг), като мили тръбопроводи го свързват с чистата стая по-горе. Забелязах, че голяма част от тръбопроводите всъщност са удвоени, със сензори в тръбите, за да открият дали има теч.

На място има и редица други сгради, включително централна битова сграда с по-големи котли и охладители, системи за насипни отпадъци и др.

Като цяло фабриката използва 80 мегавата мощност, която се доставя от двойни 150 000 волтови линии. Важно е мощността да е непрекъсната, тъй като всяка промяна може да наруши производството и евентуално да повреди вафлите, които се обработват. Следователно съоръжението има резервна UPS система, маховици и дизелов генератор.

Особено ме заинтересува количеството пространство, необходимо за новото оборудване на EUV (за което ще обсъдя по-късно). Дори в подовия етаж това оборудване изисква огромна площ, включително собствена миниатюрна чиста стая, където инструментите произвеждат високоинтензивен лазерен източник на светлина, който се огъва през пода към инструмента EUV в чистата стая. Самата система EUV наложи нови охладителни и електрически системи, заедно с ултрачиста вода и специални резервоари и тръбопроводи, които намаляват замърсяването с частици.

За да влезе системата на EUV в сградата, първо е запечатано основното устройство. На тавана е монтиран 10-тонен кран, а след това в страната на сградата е изрязана дупка, за да се премести масивната нова система вътре. Този процес беше подпомогнат отчасти от 3D компютърна система за проектиране, която използва сканирани изображения, които улавят разположението на съществуващото оборудване до милиметровото ниво.

До Чистата стая

(Изображение от GlobalFoundries)

За да посетим самата чиста стая, трябваше да се облечем в „костюмите на зайчета“ (вижте снимката ми в горната част на този пост), предназначени да намалят броя на частиците в района и рискът такава частица да наруши вафла обработка.

Едно нещо, което забелязах, е, че докато на чистия етаж има много машини - повече от 1400 според GlobalFoundries - няма толкова много хора.

Кристофър Белфи, главен инженер за производствени операции, който ни даде обиколката на чистата стая, обясни, че целта е да имаме нулеви оператори на пода. Единствените хора, които виждате, или извършват инсталация или поддръжка на инструментите, каза Белфи.

(Изображение от GlobalFoundries)

Вместо техници, които преместват вафли от един инструмент на друг, вафлите се прехвърлят между инструментите чрез обединени предни отвори с предно отваряне или FOUPs, както ги наричат, всяка от които съдържа 25 вафли - и можете да ги видите да се движат отгоре в цялата стая. Общо има 550 превозни средства на 14 мили от движение на писта и съхраняване на вафли между инструменти. Те също така преместват ретици (чиповите маски, които насочват светлината за всеки слой от създаване на чипове) между централно хранилище до инструментите, където ще бъдат използвани. Това не намалява броя на необходимите хора, каза Белфи, тъй като инструментите все още трябва да бъдат контролирани, но реално намалява времето и грешките. Той отбеляза, че във всеки един момент десетки продукти се намират в различни етапи на производство, за няколко десетки клиенти и всеки продукт има свой набор от сетча и свой специфичен процес, който използва различни инструменти. Belfi нарече Fab 8 "най-автоматизираният Fab в света." Разбира се, това е и едно от най-новите.

Някои от батерията имат жълта светлина, тъй като в един момент от историята на производствения процес беше важно да се уверите, че вафлата не е изложена на нормална светлина. Тези дни обаче вафлите изобщо не са изложени на външна светлина, така че е по-малко необходимо.

В направата на вафла има много стъпки и всяка от тях има своя собствена площ на чистата стая: имплантант (добавяне на йони към силикона), химическо механично планаризиране или CMP (полиране на вафлата), дифузия, отлагане на тънък филм, литография и др. ецване. Метрологичните инструменти, използвани за измерване на характеристиките на чипа при всяка стъпка по пътя, са разположени в цялата платформа.

Склонни сме да говорим за литография най-много (което се отнася до използването на светлина за излагане на шаблон върху вафлата), тъй като това е най-сложната стъпка през последните няколко години. Настоящата техника, която включва използване на 193 nm светлина в течност (известна като потапяща литография), вече не е достатъчно фина, за да създаде най-малките елементи в чипа в един проход, така че за възли като 14 nm и 7 nm, множество експозиции (понякога изискват се двойно рисуване или дори четворно рисуване). Екстремният ултравиолетов или EUV е по-сложна алтернатива, но тази, която може да се наложи, ако искаме да продължим да получаваме по-малки функции на чиповете, а GlobalFoundries е в процес на инсталиране на две от тези EUV машини, с място за още две. (Ще имам повече подробности в следващата публикация.) Тъй като това не е готово, засега всички чипове, направени в GlobalFoundries (и наистина всички търговски чипове, за които знам, направени навсякъде) са произведени с потапяща литография. Но всички стъпки са от решаващо значение и всяка грешка във всяка стъпка вероятно ще направи чипове върху вафлата безполезни.

Като цяло, един текущ чип може да включва до 80 слоя и дори повече стъпки, докато вафлите преминават между различните етапи на процеса, особено когато преминават напред-назад между литография и ецване при всяка стъпка на многократно рисуване (може да отнеме месеци за производство на типичен чип от висок клас). Това е увлекателен процес и един се радвам, че трябва да видя от първа ръка.

В следващия си пост ще се съсредоточа повече върху оборудването на EUV, което наскоро беше инсталирано във фабриката, както и върху плановете на GlobalFoundries за бъдещи стъпки в процеса на създаване на чипове.

Любопитни сте за скоростта на вашия широколентов интернет? Тествайте го сега!