Paano nakagawa ang isang chip: pagbisita sa mga globalfoundry

Ako ay palaging nabighani upang malaman ang tungkol sa kung ano ang talagang kinakailangan upang gawin ang mga aparato na hindi namin pinapahalagahan, at walang proseso na alam ko ay bilang kumplikado, kumplikado, o mahalaga tulad ng paggawa ng mga processors na nagbibigay kapangyarihan sa mga telepono, PC, at server na nagpapatakbo ng ating pang-araw-araw na buhay. Kaya tumalon ako sa pagkakataon na bisitahin ang nangungunang gilid ng pabrika ng GlobalFoundries sa Malta, New York, upang makita kung paano lumaki ang pasilidad ng tela (o fab) sa nakaraang ilang taon.

Ito ay isang kamangha-manghang proseso - ang tela ay nagsasama ng higit sa 1, 400 advanced na mga tool para sa paggawa ng mga chips, lahat ng konektado, at gumawa ng isang tipikal na wafer na naglalaman ng mga chips ay maaaring tumagal ng hanggang sa anim na buwan. Tuwang-tuwa ako sa patuloy na pagtaas ng pagiging kumplikado ng prosesong ito, at ang pambihirang katumpakan na kinakailangan upang makagawa ng mga chips na ginagamit nating lahat.

Bumisita ako sa pabrika - na kilala bilang Fab 8 - dati, noong ito ay nasa ilalim ng konstruksyon, at nang nagsimula na itong gumawa ng mga unang produkto nito: mga processors na idinisenyo para sa 32nm o 28nm na proseso ng node.

Ang halaman ay nasa isang kagiliw-giliw na lokasyon: ang Kampo ng Teknolohiya ng Forest Forest sa Malta, halos kalahating oras sa hilaga ng Albany. Sa loob ng maraming taon, ang estado ng New York ay nagtulak na magdala ng mas maraming teknolohiya sa rehiyon, na may mga pagsisikap kasama ang suporta para sa SUNY Polytechnic Institute Colleges ng Nanoscale Science and Engineering (CNSE) at ang Albany Nanotech Complex, isa sa pinaka advanced na chip sa buong mundo mga pasilidad ng pananaliksik, na kinabibilangan ng mga kinatawan mula sa GlobalFoundries, Samsung, IBM, maraming mga unibersidad sa pananaliksik, at lahat ng nangungunang tagagawa ng mga tool sa paggawa ng chipmaking. Nag-sign in ang AMD upang magtayo ng pabrika sa complex; nang hatiin ng AMD ang mga operasyon ng chipmaking nito upang maging GlobalFoundries noong 2009 (ngayon ay buong pagmamay-ari ng Mubadala Investment Company ng Abu Dhabi), ang bagong kumpanya ay nagtayo ng pabrika.

Sa aking huling pagbisita halos anim na taon na ang nakalilipas, ang unang yugto - na kasama ang isang 210, 000-square-foot cleanroom para sa aktwal na paggawa, ay tumayo lamang at nagpapatakbo at gumawa ng maagang paggawa, habang ang Phase 2, na may karagdagang 90, 000 square feet, ay nasa ilalim ng konstruksyon . Mayroong 1, 300 katao sa site, ngunit kakaunti ang mga produkto na ginagawa sa oras na iyon.

(Larawan mula sa GlobalFoundries)

Sa ngayon, ang mga unang dalawang phase ay isang solong 300, 000-square-foot cleanroom (300 piye ang lapad ng 1000 talampakan ang haba) at isang karagdagang 160, 000-square-foot Phase 3 ay din sa buong operasyon. Nakita ko ang maraming aktibidad, at maraming mga wafer ng silikon na puno ng mga chips na ginawa.

Si Tom Caulfield, SVP at Pangkalahatang Tagapamahala ng Fab 8, ay binibigyang diin na ang GlobalFoundries ay namuhunan nang higit pa sa itaas na New York kaysa sa orihinal na pangako nito. Nang unang binalak ang tela, ang kumpanya ay nakatuon sa isang pamumuhunan na $ 3.2 bilyon, at isang direktang headcount ng 1, 200 katao para sa isang taunang payroll na $ 72 milyon. Ngayon, aniya, ang kumpanya ay talagang namuhunan ng higit sa $ 12 bilyon, at mayroong halos 3, 300 empleyado at isang $ 345 milyon taunang payroll. At hindi iyon binibilang kahit na 500 hanggang 700 iba pang mga indibidwal na nagtatrabaho sa tela ngunit pinagtatrabahuhan ng iba pang mga nilalang, sinabi niya, tulad ng mga tekniko na nagtatrabaho para sa mga nagtitinda ng kasangkapan tulad ng ASML, Applied Materials, o LAM Research.

Ang GlobalFoundries ay nagpapatakbo ng tinatawag na ngayon na Fab 9 sa Burlington, Vermont, at Fab 10 sa East Fishkill, New York, na mga mas matandang pabrika na nakuha nito mula sa IBM. Ang kumpanya ay mayroon ding mga pangunahing tela sa Dresden, Alemanya, kung saan ito ay nagtatrabaho sa proseso ng FDX silikon-on-insulator; Chengdu, China; at sa Singapore. Sa pangkalahatan, sinabi ng kumpanya na mayroon itong higit sa 250 mga customer.

Sinabi ni Caulfield na ang tela ay isang solong mapagkukunan para sa mga processors ng AMD's, Radeon GPUs, at Epyc server chips, ngunit mayroon ding dose-dosenang iba pang mga customer.

Ang GlobalFoundries ay isa sa apat na kumpanya na gumagawa ng nangungunang mga logic chips. Ang iba ay ang Intel, na pangunahing gumagawa ng mga chips para sa sarili nitong paggamit; Ang Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), ang founding chip foundry, na gumagawa ng mga chips para sa maraming magkakaibang mga customer at pangunahing kumpetisyon ng GlobalFoundries; at Samsung, na gumagawa ng kaunti sa pareho.

Sa loob ng Pabrika

Sa pagbisita na ito, ang aking sarili at maraming iba pang mga mamamahayag ay binigyan ng paglilibot sa pasilidad at narinig ang tungkol sa kung paano ginawa ang mga chips. Sa halip na magsimula sa banyo na kung saan ang mga chips ay aktwal na gawa, nagsimula ang paglilibot sa "sub-tela, " ang malawak na lugar sa ilalim ng banyo na humahawak sa mga kagamitan na kinakailangan upang patakbuhin ang mga tool na gumagawa ng mga chips. Kasama dito ang mga de-koryenteng, mekanikal, tubig, at mga sistema ng paghawak ng kemikal.

Si John Painter, Senior Director ng Pasilidad, na nagbigay ng paglilibot sa lugar na ito, ay ipinaliwanag na ang buong site ay may kasamang higit sa 70, 000 piraso ng kagamitan, na karamihan ay sumusuporta sa mas maliit na mga tool sa paggawa ng chip sa loob ng banyo. Halos lahat ng mga tool na iyon ay kailangang palamig, at lahat sila ay gumagana nang mas mahusay sa mahuhulaan na temperatura, sa ilalim ng ilang mga kahalumigmigan at mga kondisyon ng presyon, kaya ang makabuluhang pagsisikap ay ginugol upang makontrol ang kapaligiran. Ginawa itong mas kumplikado dahil ang mga tool ay patuloy na naka-refresh, na may ilang paglipat at iba pa sa labas ng pasilidad. Ipinaliwanag ng pintor na sa pangkalahatan ay nangangailangan ng anim na beses na mas maraming puwang para sa mga kagamitan sa suporta tulad ng ginagawa nito para sa banyo.

Nakita namin ang mga lugar na pinoproseso ang pinalamig na purified water na ginagamit sa pagmamanupaktura, at mga kemikal na slurries para sa mga bagay tulad ng buli sa mga wafer. Ang tela ay may kumplikadong kagamitan sa pagsubaybay at pagkontrol sa mga sistemang ito - na kung saan ay maaaring masukat ang mga bagay sa mga bahagi bawat trilyon, upang makita nila ang anumang pagtagas sa system - pati na rin ang isang sopistikadong sistema ng kaligtasan sa buhay. Ang sub-fab ay may kisame na 30-talampakan, at ang lugar ng Phase 2 ay may kasamang mezzanine upang mas madaling maabot ng mga tekniko ang lahat ng kagamitan. Ang sahig na ito ay naglalaman ng maraming magkakahiwalay na mga lugar na may mga indibidwal na piraso ng kagamitan (mula sa mga lugar ng imbakan para sa tubig at kemikal hanggang sa mga sistema ng pagsubaybay), na may milya ng piping na kumokonekta sa malinis sa itaas. Nabanggit ko na ang karamihan sa mga tubo ay talagang doble, na may mga sensor sa loob ng mga tubo upang malaman kung mayroong isang tagas.

Mayroon ding isang bilang ng iba pang mga gusali sa site, kabilang ang isang sentral na gusali ng utility na may mas malaking boiler at chiller, mga bulk na sistema ng basura, atbp.

Sa kabuuan, ang pabrika ay gumagamit ng 80 megawatts ng kapangyarihan, na ibinibigay ng dalawampu't 150, 000 boltahe. Ito ay kritikal na ang lakas ay patuloy, dahil ang anumang pagkakaiba-iba ay maaaring makagambala sa paggawa at posibleng makapinsala sa mga wafer na naproseso. Samakatuwid, ang pasilidad ay may isang backup na sistema ng UPS, flywheels, at isang diesel generator.

Lalo akong interesado sa dami ng puwang na hinihiling ng bagong kagamitan sa EUV (na tatalakayin ko mamaya). Kahit na sa sub-sahig, hinihingi ng kagamitang ito ang isang napakalaking lugar, kabilang ang sarili nitong miniature cleanroom, kung saan ang mga tool ay gumagawa ng isang high-intensity laser light source, na yumuko sa sahig patungo sa tool ng EUV sa cleanroom. Ang sistema ng EUV mismo ay nangangailangan ng mga bagong paglamig at mga de-koryenteng sistema, kasama ang ultra-purong tubig, at mga espesyal na tank at tubo na binabawasan ang kontaminasyon ng butil.

Upang makuha ang sistema ng EUV sa gusali, ang pangunahing tela ay unang natatakan. Ang isang 10-tonong kreyn ay na-install sa kisame, at pagkatapos ay isang butas na gupitin sa gilid ng gusali upang ilipat ang napakalaking bagong sistema sa loob. Ang prosesong ito ay natulungan sa bahagi ng isang sistema ng disenyo ng 3D computer na ginamit ang mga na-scan na mga imahe na nakuha ang paglalagay ng mga umiiral na kagamitan hanggang sa antas ng milimetro.

Hanggang sa Malilinis

(Larawan mula sa GlobalFoundries)

Upang bisitahin ang paglilinis mismo, kinailangan naming magbihis sa "kuneho demanda" (tingnan ang aking larawan sa tuktok ng post na ito), na idinisenyo upang mabawasan ang bilang ng mga partikulo sa lugar at ang panganib na ang isang maliit na butil ay maaaring makagambala sa wafer pagproseso.

Ang isang bagay na napansin ko na habang maraming mga makina sa sahig na linisin - higit sa 1, 400, ayon sa GlobalFoundries - hindi ganyan ang maraming tao.

Si Christopher Belfi, isang punong inhinyero para sa mga operasyon sa pagmamanupaktura, na nagbigay sa amin ng paglilibot sa banyo, ay ipinaliwanag na ang layunin ay magkaroon ng mga zero operator sa sahig. Ang tanging mga taong nakikita mo ay alinman sa paggawa ng pag-install o pagpapanatili sa mga tool, sinabi ni Belfi.

(Larawan mula sa GlobalFoundries)

Sa halip na mga technician na lumilipat ng mga wafer mula sa isang tool patungo sa isa pa, ang mga wafer ay naka-ruta sa pagitan ng mga tool sa pamamagitan ng Front-Opening Unified Pods, o FOUP habang tinawag sila, bawat isa ay may hawak na 25 na wafer - at makikita mo ang mga gumagalaw na ito sa buong silid. Sa kabuuan, mayroong 550 na sasakyan sa 14 milya ng track na gumagalaw at nag-iimbak ng mga wafer sa pagitan ng mga tool. Ang mga ito ay naglilipat din ng mga reticle (ang mga maskara ng chip na gumagabay sa ilaw para sa bawat layer ng chipmaking) sa pagitan ng isang pasilidad ng gitnang imbakan sa mga tool kung saan gagamitin ito. Hindi nito binabawasan ang bilang ng mga tao na kinakailangan, sinabi ni Belfi, dahil kailangan pa ring kontrolin ang mga tool, ngunit binabawasan ang oras at error. Nabanggit niya na sa anumang naibigay na oras, dose-dosenang mga produkto ay nasa iba't ibang yugto ng paggawa, para sa maraming dosenang mga customer, at ang bawat produkto ay may sariling hanay ng mga reticle at ang sariling tukoy na proseso na gumagamit ng iba't ibang mga tool. Tinawag ni Belfi ang Fab 8 na "pinaka-awtomatikong tela sa buong mundo." Siyempre, isa rin ito sa pinakabago.

Ang ilan sa mga tela ay may isang dilaw na ilaw, tulad ng sa isang punto sa kasaysayan ng proseso ng paggawa ay mahalaga na tiyakin na ang wafer ay hindi nalantad sa normal na ilaw. Gayunpaman, sa mga araw na ito ang mga wafer ay hindi nalantad sa labas ng ilaw, kaya't hindi gaanong kinakailangan.

Mayroong maraming mga hakbang na kasangkot sa paggawa ng isang wafer, at ang bawat isa ay may sariling lugar ng kalinisan: pagtatanim (pagdaragdag ng mga ion sa silikon), kemikal na pagpaplano ng planeta o CMP (buli ang wafer), pagsasabog, manipis na pelikula, at lithography, at etch. Ang mga tool sa metropolohiya na ginamit upang sukatin ang mga tampok ng chip sa bawat hakbang sa kahabaan ay matatagpuan sa buong tela.

Kami ay may posibilidad na pag-usapan ang tungkol sa lithograpiya (na tumutukoy sa paggamit ng ilaw upang ilantad ang isang pattern sa wafer), dahil ito ang naging pinaka-kumplikadong hakbang sa huling ilang taon. Ang kasalukuyang pamamaraan, na kung saan ay nagsasangkot ng paggamit ng 193nm light sa isang likido (na kilala bilang immersion lithography), ay hindi na sapat na maayos upang lumikha ng pinakamaliit na elemento sa isang maliit na tilad, kaya para sa mga node tulad ng 14nm at 7nm, maraming exposures (minsan tinatawag na double patterning o kahit quad patterning) ay kinakailangan. Ang matinding ultraviolet o EUV ay isang mas kumplikadong kahalili, ngunit ang isa na maaaring kinakailangan kung magpapatuloy tayong makakuha ng mas maliit na mga tampok sa mga chips, at ang GlobalFoundries ay nasa proseso ng pag-install ng dalawa sa mga makina ng EUV, na may puwang para sa dalawa pa. (Magkakaroon ako ng higit pang mga detalye sa susunod na post.) Dahil hindi pa ito handa, sa ngayon lahat ng mga chips na ginawa sa GlobalFoundries (at sa katunayan, ang lahat ng mga komersyal na chips na alam ko na ginawa kahit saan) ay ginawa gamit ang paglulubog sa lithography. Ngunit ang lahat ng mga hakbang ay mahalaga, at ang anumang pagkakamali sa anumang hakbang ay malamang na magbigay ng mga chips sa wafer na walang silbi.

Sa kabuuan, ang isang kasalukuyang chip ay maaaring kasangkot hanggang sa 80 mga layer, at kahit na higit pang mga hakbang habang ang mga wafers ay pumasa sa pagitan ng iba't ibang mga hakbang ng proseso, lalo na habang sila ay pabalik-balik sa pagitan ng lithography at etch sa bawat hakbang na multi-patterning (maaaring tumagal ng buwan upang makagawa ng isang tipikal na high-end chip). Ito ay isang kamangha-manghang proseso at isa nasisiyahan ako na nakita ko mismo.

Sa aking susunod na post, tututuon ko ang higit pa sa mga kagamitan sa EUV na kamakailan na na-install sa pabrika, pati na rin sa mga plano ng GlobalFoundries 'para sa mga hinaharap na hakbang sa proseso ng paggawa ng chipmaking.

Nagtataka sa iyong bilis ng broadband sa internet? Subukan ito ngayon!