All’interno di GlobalFoundries lunga strada per la leading edge

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Ci sono solo una manciata di aziende nel mondo che la progettazione di processori utilizzando tecnologia d’avanguardia. Ancora meno sono attrezzato per la produzione di questi chip. Intel fa propria, la taiwanese TSMC e GlobalFoundries sono pure-play fonderie produrre chip per altre aziende, e Samsung è un po ‘ di entrambi. La concorrenza è intensa, i fab costano miliardi di dollari, e ci vogliono anni per sviluppare un nuovo processo e la rampa per volume di produzione. Non sorprendentemente, questi produttori di chip come per mantenere le cose vicino alla maglia, in modo che quando GlobalFoundries ha recentemente accolto un piccolo gruppo di giornalisti al suo fab nello stato di New York, e ‘ stata una rara occasione per vedere all’avanguardia fab in azione.

Il fatto che un impianto di questo grande ed avanzato esista nel bosco di Malta, New York, una piccola cittadina a nord di Albany, mi sembra un po ‘ un miracolo. Non è stata una strada facile. L’azienda, creata quando chipmaker AMD spin-off delle sue attività di produzione, di piccone nel 2009 su un 250 ettari sito in cui General Electric, gli scienziati hanno testato i razzi durante la Guerra Fredda. Stato offerto 1,2 miliardi di dollari in incentivi e, in cambio, GlobalFoundries ha accettato di investire 3.2 miliardi di dollari in un fab, che dovrebbe assumere 1.200 persone con un libro paga circa $72 milioni.

GlobalFoundries prevede di avviare la produzione in un processo 32nm, entro il 2011, e alla fine della rampa di produzione a 60.000 wafer al mese, con ulteriore espansione sul tavolo da disegno. Ma la produzione rendimenti sono bassi, sia a 32nm e a 28nm nodi–che ha richiesto nuovi materiali-e le sue principali per i clienti, AMD, stava lottando per tenere il passo con Intel. Il 20nm nodo era un busto per l’intero settore, perché il cosiddetto transistor planare architettura erano a corto di vapore (Intel aveva già spostato il 3D transistor, noto come FinFETs, a partire 22nm). GlobalFoundries è stato improvvisamente di fronte con lo sviluppo di un’architettura completamente nuova e contemporaneamente ottenere il fab fino a velocità.

“Malta lottato inizialmente, perché stavamo cercando di portare la fabbrica e sviluppare un nuovo processo, allo stesso tempo,” ha detto il Chief Technology Officer di Gary Patton. “Non è una ricetta per il successo.”

Invece, GlobalFoundries licenza di Samsung 14nm FinFET tecnologia per raggiungere il mercato più velocemente. Allo stesso tempo, AMD ha rinnovato la propria linea di prodotti per essere più competitivi, e oggi GlobalFoundries è a sfoggiare tutte le sue Ryzen processori, Epyc server chip e Radeon Vega processori grafici. Produce anche un AMD semi-custom processori utilizzati in un popolare console di gioco, così come IBM 14nm Power9 server e z14 mainframe chips. Ha preso quasi un decennio, ma la Malta fab ha chiaramente colpito il suo passo. Oggi, GlobalFoundries è di $12 miliardi di euro “in terra”, secondo la SVP e General Manager di Tom Caulfield (che è stato appena nominato amministratore delegato), e si avvale di 3.300 persone con un libro paga di circa $345 milioni di euro.

Come un semiconduttore analista, conosco un po ‘ circa l’entità e la complessità di avanzata lavorazione del truciolo. Ma vederlo di persona è un’altra cosa. La Malta è bella massiccia. La costruzione iniziale si è ampliato e la camera bianca, che si trova al secondo piano, comprende ora di 300.000 metri quadrati. Della porta accanto, GlobalFoundries ha costruito un secondo fab, collegati da un “ponte” per creare una contigua camera bianca con un totale di 460.000 metri quadrati, l’equivalente di otto campi di calcio. L’aria in questo cavernoso spazio è riciclato da 10 a 15 volte per ora, perché la contaminazione da anche le più piccole particelle in grado di distruggere un wafer nel processo per un valore di centinaia di migliaia di dollari.

In tutto, camera bianca contiene i 1.400 strumenti che si trovano sulla ‘RMF,’ rialzato pavimentazione modulare che permette il flusso d’aria per rimuovere le particelle microscopiche, controlli di scarico statico e fornisce l’accesso al subfab di seguito. Gli strumenti sono raggruppati in funzione a partire dalla parte anteriore a quella posteriore con CMP (chimica e lucidatura meccanica), la deposizione, la diffusione di ricottura, etch e, infine, la litografia. Metrologia strumenti utilizzati per misurare il chip in ogni passo lungo la strada sono sparsi per tutto. La RMF è costruito sulla cima di una cialda piano di massiccio di cemento tipo Lego blocchi-ciascuna del peso di 22 a 24 tonnellate–che smorzano anche le più piccole vibrazioni e circondata da una spessa passerella in cemento che permette ai lavoratori di spostarsi in camera bianca e supporta gli strumenti pesanti quando sono installati. Alcuni passaggi che non sono sensibili alle vibrazioni, come l’impiantazione ionica, si trovano a lato.

Il prossimo grande sorpresa è il livello di automazione. Fab il soffitto è coperto con 14 km di pista su cui fino a 550 veicoli dardo intorno alla rimozione delle cartucce con wafer da uno strumento e di caricarle in un altro. Le cartucce, noto come FOUPs (Apertura Anteriore Universale Pod), tenere premuto fino a 25 cialde, ciascuno dei quali misura circa un piede di diametro. Alcuni FOUPs fornire anche la photomasks, o reticoli, utilizzati per il progetto di schemi sul wafer da e per la litografia strumenti–qualcosa di GlobalFoundries dice di no altri fab nel mondo di oggi. La complessa coreografia è tutto gestito da un software e il FOUPs sono spesso memorizzati in sovraccarico di aree di sosta, piuttosto che centralizzato ‘stoccatori’–in modo che possano essere caricato non appena lo strumento è gratuito.

“Si sono spalare tanto carbone come possibile motore per mantenere in esecuzione”, ha spiegato Stephen Miller, un’attrezzatura di ingegnere.

Non è per dire, non ci sono persone in camera bianca. Piccoli gruppi di lavoratori sono costantemente andando e venendo–coniglietto bianco adatto per GlobalFoundries dipendenti e grigio adatta per identificare i fornitori esterni-ma in realtà non funzionano gli strumenti. Invece sono l’installazione o la manutenzione delle attrezzature, monitoraggio fasi di lavorazione o la risoluzione di problemi.

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Fonte: GlobalFoundries

La maggior parte delle persone pensano solo di cleanroom, ma, come Giovanni, Pittore, Direttore Senior delle Strutture, l’fab è come un iceberg e un sacco accade sotto la superficie per mantenere tutti questi strumenti ronzio 24 ore al giorno. Per ogni metro quadrato di camere bianche spazio, c’è un altro sei metri quadrati di spazio in subfab al primo piano e periferici Centrale Utilità di Edifici, o ‘Cuccioli’ per la fornitura di fab con 80 megawatt di potenza, sostanze chimiche, gas e acqua ultra-pura consegnato da chilometri di cavi elettrici e tubi.

Ma forse la parte più interessante del tour è stata un’occasione per vedere la prossima generazione di litografia strumenti in un ambiente di produzione. La litografia è considerato come la fase più critica, perché determina le caratteristiche minime di un chip–la metrica che ha sostenuto la Legge di Moore per 50 anni. Oggi GlobalFoundries, come ogni altra avanguardia chipmaker, si basa su strumenti che utilizzano Profonda luce UV con una lunghezza d’onda di 193nm a modello più critici strati.

L’introduzione di immersione litografia-la sostituzione della distanza fra l’obiettivo e il wafer con l’acqua, che ha un indice di rifrazione maggiore,–ha contribuito ad estendere la 193nm strumenti, ma hanno raggiunto limiti fondamentali. Per il modello più piccolo a strati, i produttori di chip ora necessario utilizzare più passaggi, un complesso processo noto come multi-patterning che non solo riduce la produttività, ma aumenta anche la variabilità, che abbassa il rendimento.

La soluzione a questo è una nuova forma di litografia che utilizza Extreme UV (EUV) la luce con una lunghezza d’onda di 13,5 nm. Minore è la lunghezza d’onda, più la funzionalità. Sembra semplice, ma risulta essere incredibilmente complesso, perché EUV luce è difficile da produrre; viene completamente assorbito da praticamente qualsiasi materiale, compresi aria, il che significa che deve essere utilizzato nel vuoto; e non può essere focalizzata uso di lenti o convenzionale specchi. ASML, la società olandese che è il fornitore unico di EUV strumenti, è attivo dalla fine degli anni 1990, e solo ora è sulla cuspide della produzione commerciale.

Nella Fase 2 sul retro dei suoi principali cleanroom, GlobalFoundries ha installato uno EUV strumento, un secondo è in lavorazione, e c’è spazio per altri due strumenti. Ognuno ha le dimensioni di un autobus e ha un costo di circa $130 milioni. Per Fab 8, GlobalFoundries dovuto tagliare un foro nel lato della costruzione e installazione di una gru di 10 tonnellate nel soffitto, li ascensore in luogo, pur mantenendo l’ambiente della camera sterile con una camera di compensazione.

Per rendere le cose ancora più difficili, EUV richiede un potente sistema laser in subfab per generare estremo radiazione ultravioletta. Il 27 kilowatt laser di CO2 di incendi di due serie di impulsi attraverso un fascio di trasporto per la camera bianca al di sopra dove si è diretto in un plasma nave e scioperi piccole gocce di stagno (circa 20 micron di diametro). Il pre-impulso appiattisce la goccia di stagno e l’impulso principale vaporizza è la creazione di un laser prodotto al plasma (LPP) che emette EUV fotoni. Questi vengono raccolti da uno specchio speciale che dirige la radiazione nello scanner in cui è riflessa da una fantasia maschera sul wafer di silicio. Il sistema è così complesso che un imprenditore, Soluzioni di Impianto Totale (parte M+W gruppo edile che costruisce fab), ha passato mesi e mesi sul sito utilizzando un laser scanner 3D e BIM (Building Information Modeling) stazione per tracciare la posizione esatta di ogni componente.

Dopo anni di false partenze, EUV è quasi pronto per la produzione in volumi. “Siamo a un punto cruciale, siamo tutti in,” Caulfield ha detto. “Sono estremamente fiducioso che EUV diventerà parte di 7nm ma non è pronto oggi.”

GlobalFoundries piani per iniziare a 7nm rischio “in produzione” il prossimo trimestre (il che significa che sarà in produzione commerciale di volte nel primo semestre del 2019) senza EUV, affidandosi invece a 193nm immersione quadrupla patterning. Questo 7LP processo di promesse 40% meglio del transistor di prestazioni (o 55% di potenza inferiore) e un 30 per cento di riduzione dei costi. Ad alte prestazioni versione di fornire un ulteriore 10% di incremento di velocità. Ma GlobalFoundries dice che questo sarà seguito dalle versioni di 7nm che utilizzano EUV per i contatti e le vie, e, infine, alcuni strati di metallo, riducendo il numero di livelli critici 20%–tagliando il tempo di ciclo e i costi e ridurre la variabilità. TSMC sta perseguendo una strategia simile, ma Samsung ha deciso di aspettare fino a quando EUV è pronta a lanciare 7nm e Intel piani rimangono poco chiari.

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GlobalFoundries è venuto un senso lungo nel corso dell’anno passato, ma per andare in punta di piedi, con questi avversari, è necessario continuare a fare progressi in due aree.

Primo, è necessario diversificare la propria base di clienti. Le acquisizioni di Singapore, fondata nel 2010 e IBM Microelectronics nel 2015 hanno aiutato. GlobalFoundries ora opera in cinque fab con un sesto in Chengdu, in Cina, in fase di costruzione che ha combinato in grado di produrre più di 800.000 wafer al mese (a 200mm equivalenti) per circa 250 clienti. Ma c’è bisogno di più attività al di là di AMD e IBM all’avanguardia.

GlobalFoundries ha detto che ha 82 disegni sui 14nm nelle opere–e ha rilasciato un FX-14 ASIC processo che dovrebbe competere per il business in crescita del AI acceleratori. Mentre non ha avuto molta fortuna con mobili di fascia alta Soc di sicurezza, GlobalFoundries ha spinto un’alternativa fabbricato su un diverso tipo di wafer substrato, noto come FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator), che ben si presta basso costo per le applicazioni mobili come mid-gamma di telefoni cellulari, capi d’abbigliamento o di dispositivi IoT.

Secondo, GlobalFoundries ha bisogno di eseguire con la sua tecnologia di marcia. Ha appena iniziato la produzione di un 12nm ripiego per AMD, ma il 7nm rampa sarà il vero banco di prova da quando è stato sviluppato in-house da parte di un team di circa 400 ingegneri.

L’attuale tabella di marcia si conclude intorno al 2020, ma Patton ha detto che la ricerca pipeline è pieno di buone idee. GlobalFoundries ha circa 700 ‘tecnologi di lavoro sul futuro soluzioni sia in un’area dedicata a Fab 8 e attraverso l’Albany NanoTech consorzio con IBM e Samsung, attrezzature e fornitori di materiali e SUNY Politecnico. Future opzioni includono nuovi materiali, come i semiconduttori III-V, o porta-tutto-intorno a strutture verticali nanofili o orizzontale nanosheets. Lo scorso anno, il consorzio ha annunciato di aver sviluppato il primo lavoro di 5nm chip utilizzando EUV per fabbricare nanosheets che potrebbe un giorno permettere di processori con fino a 30 miliardi di transistor

Queste sono le sfide formidabili. Ma vedendo un avanzato fab vicino ti dà un apprezzamento per le sfide che l’industria ha già superato di più la fiducia che potrà continuare a trovare modi innovativi per rendere le cose più piccole, più veloce e più efficiente.

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