Inde i GlobalFoundries lange vej til den førende kant

0
35

Nul

globalfoundries1.jpg

Der er kun en håndfuld virksomheder i verden, der design-processorer ved hjælp af avanceret teknologi. Endnu færre er udstyret til at fremstille disse chips. Intel laver sin egen, Taiwan s TSMC og GlobalFoundries er pure-play støberier at gøre chips for andre virksomheder, og Samsung er lidt af begge dele. Konkurrencen er intens, fab ‘ erne koster milliarder, og det tager år at udvikle en ny proces, og det rampe til volumen produktion. Ikke overraskende er disse chip-producenter kan lide at holde tingene tæt på vesten, så når GlobalFoundries for nylig velkommen til en lille gruppe af journalister til at fab i upstate New York, det var en sjælden mulighed for at se en førende fab i aktion.

Det faktum, at en plante, denne store og avancerede overhovedet eksisterer i skoven, Malta, New York, en lille by lige nord for Albany, synes som lidt af et mirakel. Det har ikke været en let vej. Virksomheden, der oprettes, når chipmaker AMD spundet-off sin fremstilling, brød frem i 2009 på 250 hektar stort område, hvor General Electric forskere testet raketter under den Kolde Krig. Staten tilbød $1,2 milliarder i incitamenter og i udveksling GlobalFoundries har aftalt at investere $3,2 milliarder i en flot at ville ansætte 1.200 personer med en løn omkring $72 mio.

GlobalFoundries planlagt til at starte en produktion på en 32nm proces af 2011 og i sidste ende rampe produktionen til 60.000 vafler per måned med yderligere ekspansion på tegnebrættet. Men produktion udbytterne var lave på både 32nm og 28nm noder–som krævede nye materialer–og dets primære kunde, AMD, der kæmper for at holde trit med Intel. Den 20nm knude var en buste for hele branchen, fordi så-kaldt planar transistor arkitektur var løbet tør for damp (Intel havde allerede flyttet til 3D-transistorer, der er kendt som FinFETs, der starter på 22nm). GlobalFoundries pludselig blev konfronteret med udviklingen af en helt ny arkitektur, samtidig med at få de fine op til hastighed.

“Malta kæmpede i første omgang, fordi vi prøvede at bringe op på fabrikken og udvikle en ny proces på samme tid,” sagde Chief Technology Officer Gary Patton. “Det er ikke en opskrift på succes.”

I stedet, GlobalFoundries licens Samsungs 14nm FinFET teknologi til at komme hurtigere på markedet. På samme tid, AMD moderniseret sit produktsortiment til at blive mere konkurrencedygtige, og i dag GlobalFoundries er cranking ud alle sine Ryzen processorer, Epyc server-chips og Radeon Vega grafik-processorer. Det fremstiller også en af AMD ‘s semi-custom-processorer, der anvendes i en populær spillekonsol, samt IBM’ s 14nm Power9 server og z14 mainframe chips. Det har taget næsten et årti, men Malta fab har helt klart ramt sin skridtlængde. I dag, GlobalFoundries har $12 milliarder “i jorden,” ifølge SVP og General Manager Tom Caulfield (der blev kun udnævnt til administrerende DIREKTØR), og beskæftiger 3.300 personer med en løn på omkring $345 millioner.

Som en halvleder, analytiker, jeg ved en smule om omfanget og kompleksiteten af avanceret chip produktion. Men at se det i person, er en anden ting. Malta-fab er massiv. Den oprindelige bygning har siden udvidet og renrum, som er placeret på anden sal, der nu omfatter omkring 300.000 kvadratmeter. Næste dør, GlobalFoundries har konstrueret en anden fab, som er forbundet af en “ren bridge” til at skabe en sammenhængende renrum med i alt 460.000 punkter kvadratmeter-svarende til otte fodboldbaner. Luften i denne hule rum er genanvendt 10 til 15 gange i timen, fordi forurening med selv de mindste partikler kan ødelægge en plade i processen værd at hundreder af tusinder af dollars.

I alt, renrum indeholder 1,400 værktøjer, som ligger på den ‘RMF’ rejst modulopbygget gulvbelægning, der tillader luftstrøm til at fjerne mikroskopiske partikler, kontrol statisk elektricitet og giver adgang til subfab nedenfor. Værktøjer, der er grupperet efter funktion, der starter fra front til bagsiden med CMP (kemisk og mekanisk polering), aflejring, diffusion udglødning, etch og endelig litografi. Metrologi værktøjer, der anvendes til at måle chip ‘ s funktioner på hvert skridt på vejen er drysset hele. Den RMF er bygget på toppen af en vaffel-gulvtæppe lavet af massiv beton Lego-lignende blokke-hver vejer 22 til 24 tons–at lægge en dæmper på selv de mindste vibrationer og omgivet af en tyk beton gangbro, der giver arbejdstagerne mulighed for at bevæge sig rundt i renrum og understøtter den tunge værktøjer, når de er installeret. Nogle trin, som ikke er følsom over for vibrationer såsom ionimplantering er beliggende ud til siden.

Den næste store overraskelse er den grad af automatisering. Fab ‘ s loft er dækket med 14 miles af sporet, som op til 550 køretøjer dart rundt fjerne blækpatroner med vafler, fra et værktøj og lægger dem i en anden. De patroner, der er kendt som FOUPs (Front Åbning Universal-Pod), skal du holde op til 25 skiver, der hver måler omkring en fod i diameter. Nogle FOUPs også levere fotomasker eller okularmikrometre, der anvendes til projektet mønstre på vafler til og fra litografi værktøjer–noget GlobalFoundries siger, at ingen andre fine i verden gør i dag. Den komplekse koreografi er alt styres af software og den FOUPs er ofte gemt i overhead iscenesættelse områder-snarere end centraliseret ‘stockers’–, så de kan indlæses, så snart værktøjet nedenfor er gratis.

“Du er ved at skovle så meget kul som muligt ind i motoren til at holde det kørende,” forklarer Stephen Miller, en maskine, der er ingeniør.

Det er ikke til at sige, at der ikke er folk i renrummet. Små grupper af arbejdstagere, der er hele tiden kommer og går–hvid kanin, der passer til GlobalFoundries medarbejdere og grå jakkesæt til at identificere eksterne leverandører-men de gør faktisk ikke betjene værktøjer. I stedet, de er ved at installere eller vedligeholde værktøjer, overvågning, behandling eller foretage fejlfinding af problemer.

globalfoundries4.jpg
Kilde: GlobalFoundries

De fleste mennesker tror kun af renrum, men som John Maler, Senior Director for Faciliteter, sætte det, fab er ligesom et isbjerg, og går en masse på under overfladen for at holde alle disse værktøjer summende 24 timer i døgnet. For hver kvadratmeter af renrum plads, der er endnu seks kvadratmeter plads i subfab på første sal og i udkanten af det Centrale Værktøj Bygninger, eller ‘Unger,’ at levere de fine med 80 megawatt strøm, kemikalier, gasser og ultra-rent vand, leveret af miles af ledninger og rør.

Men måske er den mest interessante del af turen var en mulighed for at se den næste generation af litografi værktøjer i et produktionsmiljø. Litografi betragtes som de mest kritiske trin, fordi det angiver den minimale funktioner på en chip–den variabel, der har lidt Moore ‘ s Lov for 50 år. I dag GlobalFoundries, ligesom alle andre, der er på forkant chipmaker, bygger på funktioner, der bruger Dybt UV-lys med en bølgelængde på 193nm til mønster mest kritiske lag.

Indførelsen af fordybelse litografi–udskiftning af luftspalten mellem linsen og wafer med vand, som har et højere brydningsindeks–medvirket til at forlænge 193nm værktøjer, men de har nået de fundamentale grænser. Til mønster mindste lag, chip-producenter nu nødt til at bruge flere trin, er en kompleks proces, kendt som multi-mønster, der ikke kun reducerer produktiviteten, men også øger variation, som sænker renten.

Løsningen på dette er en ny form for litografi, der bruger Ekstreme UV (EUV) lys med en bølgelængde på 13,5 nm. Jo mindre bølgelængde, jo finere funktioner. Det lyder simpelt, men det viser sig at være utrolig kompliceret, fordi EUV lys er vanskeligt at producere; bliver helt optaget af stort set alle materiale såsom luft, hvilket betyder, at det skal bruges i vakuum, og kan ikke være fokuseret ved hjælp af linser eller konventionelle spejle. ASML, det hollandske selskab, der er verdens eneste leverandør af EUV-værktøjer, har arbejdet på det siden slutningen af 1990’erne, og først nu er det på nippet til kommerciel produktion.

I Fase 2 på bagsiden af dens vigtigste renrum, GlobalFoundries har installeret en EUV værktøj, en anden er i støbeskeen, og der er plads til to ekstra værktøjer. Hver er på størrelse med en bus og koster omkring $130 millioner. At få dem ind i Fab 8, GlobalFoundries var nødt til at skære et hul i den side af bygningen, og installere en 10-tons kran i loftet til at løfte dem på plads–alt imens opretholde renrummet miljø med en luftsluse.

For at gøre tingene endnu mere udfordrende, EUV kræver en kraftig laser system i subfab til at generere ekstrem ultraviolet stråling. Den 27-kilowatt CO2-laser brande, to sæt af impulser gennem en stråle transport til renrum over, hvor det er styrende i en plasma-fartøj, og slår små dråber af tin (omkring 20 mikrometer i diameter). Pre-puls flader tin dråbe og de vigtigste puls fordamper det at skabe en laser-produceret plasma (LPP), der udsender EUV fotoner. Disse er indsamlet ved en særlig spejl, der leder stråling i scanneren, hvor det er reflekteres fra et mønstrede maske på silicium wafer. Systemet er så kompliceret, at en entreprenør, Samlede Facility Løsninger (del af M+W construction group, der bygger fab), har brugt måneder på stedet ved hjælp af en 3D laser scanner og BIM (Building Information Modeling) – station for at plot ud af den nøjagtige placering af hver enkelt komponent.

Efter år af falske starter, EUV er næsten klar til høj-volumen produktion. “Vi er lige ved the tipping point-vi er alle i,” Caulfield sagde. “Jeg er meget overbevist om, at EUV vil blive en del af 7nm men det er ikke klar i dag.”

GlobalFoundries har planer om at starte 7nm “risiko produktion” engang i næste kvartal (hvilket betyder at det vil være i kommerciel produktion engang i første halvdel af 2019) uden EUV, i stedet for at stole på 193nm fordybelse firedobbelt mønster. Dette 7LP proces lover 40 procent bedre transistor ydeevne (eller 55 procent lavere effekt) og en 30 procent reduktion af omkostninger. En high-performance-version vil give en yderligere 10 procent hastighed løft. Men GlobalFoundries siger, at dette vil blive efterfulgt af versioner af 7nm at bruge EUV for kontakter og vias, og til sidst nogle metal-lag, som reducerer antallet af kritiske lag med 20 procent–skæring cyklus tid og pris, og at reducere variation. TSMC er at forfølge en lignende strategi, men Samsung har valgt at vente, indtil EUV er klar til at lancere 7nm og Intel ‘ s planer er fortsat uklart.

globalfoundries2.jpg

GlobalFoundries er kommet en lang vej i løbet af de seneste år, men at gå tå til tå med disse rivaler, vil det nødt til at holde gør fremskridt i to områder.

For det første behov for at diversificere sin kundebase. Køb af Singapore ‘ s Chartrede i 2010 og IBM Mikroelektronik i 2015 har hjulpet. GlobalFoundries nu driver fem fab ‘ er med en sjette man i Chengdu, Kina under konstruktion, der tilsammen kan producere mere end 800.000 vafler per måned (i 200mm-ækvivalenter) for omkring 250 kunder. Men det kræver mere forretning ud over AMD og IBM i spidsen.

GlobalFoundries sagde, at det har 82 design på 14nm i værkerne–og det har frigivet en FX-14 ASIC proces, der skal konkurrere om den voksende forretning for AI acceleratorer. Mens det har ikke haft meget held med high-end mobil SoCs endnu, GlobalFoundries har været med til at skubbe et alternativ, der er fremstillet på en anden type af wafer substrat, der er kendt som FD-SOI (Fuldt Forarmet Silicon-On-Insulator), der er velegnet til low-cost mobile applikationer såsom mid-range telefoner, wearables eller IoT-enheder.

For det andet, GlobalFoundries behov for at udføre på sin teknologi køreplan. Det er netop påbegyndt produktion på en 12nm lappeløsning for AMD, men 7nm rampe vil være den egentlige test, da det blev udviklet in-house af et team af omkring 400 ingeniører.

Den nuværende køreplan slutter omkring 2020, men Patton sagde forskning pipelinen er fuld af gode ideer. GlobalFoundries har omkring 700 ‘teknikere’, der arbejder på fremtidige løsninger både i et særligt område på Fab 8 og gennem Albany NanoTech konsortium med IBM og Samsung, udstyr og materialer, leverandører og SUNY Polytechnic Institute. Fremtidige muligheder omfatter nye materialer, såsom III-V-forbindelser, eller gate-all-around-strukturer, såsom lodret nanoledninger eller vandret nanosheets. Sidste år, det konsortium, der meddelte, at det havde udviklet den første 5mn chips ved hjælp EUV til at fremstille nanosheets, der en dag kan sætte processorer med op til 30 milliarder transistorer

Disse er store udfordringer. Men at se en avanceret fine up-close giver dig en forståelse for de udfordringer, som branchen har allerede overvundet og mere tillid til, at det vil fortsætte med at finde nye måder at gøre ting mindre, hurtigere og mere effektiv.

Relaterede Emner:

Hardware

Intel

ARM

Kunstig Intelligens

Innovation

0