Inne GlobalFoundries långa vägen till framkant

0
52

Noll

globalfoundries1.jpg

Det finns bara en handfull företag i världen som design-processorer med hjälp av ledande teknik. Ännu färre är utrustade för att tillverka dessa marker. Intel gör sina egna, Taiwan TSMC och GlobalFoundries är renodlat gjuterier att göra chips för andra företag, och Samsung är lite av båda. Konkurrensen är intensiv, den funktionella luftrumsblock kosta miljarder, och det tar år att utveckla en ny process och ramp det till volymproduktion. Inte överraskande, dessa chipmakers gillar att hålla saker nära till västen, så när GlobalFoundries nyligen välkomnade en liten grupp journalister till dess fab i upstate New York, det var en sällsynt möjlighet att se en ledande fab i handling.

Det faktum att en anläggning som denna stora och avancerade existerar i skogen i Malta, New York, en liten stad strax norr om Albany, verkar som lite av ett mirakel. Det har inte varit en lätt väg. Företaget, som skapas när chipmaker AMD avknoppade sin tillverkning, bröt mark i 2009 på en 250 hektar stor plats där General Electric forskarna testade raketer under det Kalla Kriget. Staten erbjöd $1,2 miljarder incitament och i utbyte GlobalFoundries gick med på att investera $3,2 miljarder i en fab som skulle anställa 1 200 personer med en lön runt $72 miljoner kronor.

GlobalFoundries planerade att starta produktion på en 32nm process av 2011 och så småningom ramp produktion till 60 000 wafers per månad med ytterligare expansion på ritbordet. Men tillverkningen avkastningen var låg vid båda 32nm och 28nm noder-som krävs nya material–och den viktigaste kunden, AMD, var svårt att hålla jämna steg med Intel. Den 20nm nod var en byst för hela branschen, eftersom den så kallade plana transistor arkitektur hade runnit ut i sanden (Intel hade redan flyttats till 3D-transistorer, känd som FinFETs, med början på 22nm). GlobalFoundries var plötsligt konfronteras med att utveckla en helt ny arkitektur och samtidigt få fab upp till hastigheten.

“Malta kämpade från början eftersom vi försökte få upp fabriken och utveckla en ny process på samma gång,” sade Chief Technology Officer Gary Patton. “Det är inte ett recept för framgång.”

Istället, GlobalFoundries licensierad Samsungs 14nm FinFET-teknik för att få till marknaden snabbare. Vid samma tid, har AMD gjort om sin produkt sortiment för att bli mer konkurrenskraftiga, och idag GlobalFoundries är att slänga ut alla sina Ryzen processorer, Epyc server chips och Radeon Vega grafikprocessorer. Företaget tillverkar även en av AMD: s semi-custom-processorer som används i en populär spelkonsol, liksom IBM: s 14nm Power9 server och z14 stordator marker. Det har tagit nästan ett decennium, men Malta fab har tydligt kom igång på allvar. Idag, GlobalFoundries har $12 miljarder “i marken”, enligt senior vice president och General Manager Tom Caulfield (som precis utsetts till VD), och har omkring 3 300 personer med en lön på ca $345 miljoner.

Som en halvledare som analytiker, jag vet lite om omfattningen och komplexiteten av avancerade chip tillverkning. Men att se det på plats är en annan sak. Malta fab är massiv. Den ursprungliga byggnaden har sedan dess expanderat och renrum, som ligger på andra våningen, som nu omfattar ca 300 000 kvadratmeter. Nästa dörr, GlobalFoundries har konstruerat en andra fab, som är sammanlänkade av en “ren bro” för att skapa en sammanhängande renrum med totalt 460,000 kvadratmeter–motsvarande åtta fotbollsplaner. Luften i denna ihålig utrymme återvinns 10 till 15 gånger per timme på grund av kontaminering av även de minsta partiklarna kan förstöra ett rån i processen värt hundratusentals kronor.

I alla, renrum innehåller 1,400 verktyg som ligger på ‘RMF,’ upp modulära golv som gör att luftflödet för att ta bort mikroskopiska partiklar, kontrollerar statisk elektricitet och ger tillgång till subfab nedan. Verktyg är grupperade efter funktion från framsidan till baksidan med CMP (kemisk och mekanisk polering), deposition, diffusion och glödgning, etch och slutligen litografi. Metrology verktyg som används för att mäta chip funktioner på varje steg längs vägen är utrustade hela. Den RMF är byggt på toppen av en våffla golv av massiv betong Lego-liknande block–som var och en väger 22 till 24 ton–att dämpa även de minsta vibrationer och omgiven av en tjock betong gångväg som gör det möjligt för arbetstagare att röra sig runt i renrum och stöder den tunga verktyg när de är installerade. Vissa åtgärder som inte är känsliga för vibrationer som för jonimplantation som ligger åt sidan.

Nästa stora överraskning är graden av automatisering. Fab: s tak är täckt med 14 km spår som är upp till 550 fordon pil runt ta bort bläckpatroner med wafers från ett verktyg och laddar dem i en annan. Patronerna, känd som FOUPs (Främre Öppning Universal Pod), hålla upp till 25 plattor (wafers), var och en mäter omkring en meter i diameter. Vissa FOUPs också leverera photomasks, eller modermasker, som används för att projektet mönster på kakorna till och från litografi verktyg–något GlobalFoundries säger inget annat fab i världen gör idag. Komplex koreografi är alla som förvaltas av programvara och FOUPs är ofta lagrade i overhead staging områden–snarare än centraliserad ‘stockers’–så att de kan laddas så snart som verktyget nedan är gratis.

“Du är skotta så mycket kol som möjligt i motorn för att hålla den igång, förklarade Stephen Miller, en utrustning som är ingenjör.

Det är inte att säga att det inte finns människor i renrum. Små grupper av arbetstagare som är ständigt kommer och går-vit bunny kostymer för GlobalFoundries anställda och grå kostymer för att identifiera externa leverantörer-men de gör faktiskt inte använda verktyg. De är i stället installera eller underhålla verktyg, övervakning processteg eller felsökning av problem.

globalfoundries4.jpg
Källa: GlobalFoundries

De flesta människor tror att bara för renrum, men som John Målare, Senior Director of Faciliteter, uttryckte det, fab är som ett isberg och en hel del som händer under ytan för att hålla alla dessa verktyg nynna 24 timmar en dag. För varje kvadratmeter av renrum utrymme, det är en annan sex kvadratmeter utrymme i subfab på första våningen och i perifera Centralt Verktyg Byggnader, eller ‘Ungar’ för att förse fab med 80 megawatt, kemikalier, gaser och ultra-rent vatten som levereras genom miles av ledningar och rör.

Men den kanske mest intressanta delen av turen var en möjlighet att se nästa generation av litografi verktyg i en produktionsmiljö. Litografi betraktas som det mest kritiska steget eftersom det bestämmer den minsta funktioner på ett chip–det mått som har råkat ut för Moores Lag för 50 år. Idag GlobalFoundries, precis som alla andra ledande chipmaker, bygger på verktyg att använda Djupa UV-ljus med en våglängd av 193nm att mönstret mest kritiska lager.

Införandet av nedsänkning litografi-att ersätta de luftspalt mellan linsen och wafer med vatten, som har ett högre brytningsindex–bidragit till att förlänga 193nm verktyg, men de har uppnått grundläggande begränsningar. Att mönstret minsta lager, chipmakers nu behöver använda flera steg, en komplex process som kallas multi-mönster som inte bara minskar produktiviteten, men också ökar variationen, vilket sänker avkastningen.

Lösningen på detta är en ny form av litografi som använder Extremt stor UV (EUV) ljus med en våglängd på 13,5 nm. Ju mindre våglängd, desto finare funktioner. Det låter enkelt, men det visar sig vara oerhört komplicerad eftersom EUV ljuset är svårt att producera, blir helt absorberad av praktiskt taget alla material, inklusive air, vilket innebär att det behöver användas i vakuum, och inte kan vara fokuserade med hjälp av linser eller konventionella speglar. ASML, det nederländska företaget som är världens enda leverantör av EUV-verktyg, har arbetat med det sedan slutet av 1990-talet, och först nu är det på väg mot kommersiell produktion.

I Fas 2 på baksidan av sina största renrum, GlobalFoundries har installerat en EUV verktyg, en andra är på gång, och det finns plats för två extra verktyg. Alla är storleken på en buss och kostar runt $130 miljoner. För att få dem till Fab 8, GlobalFoundries tvungen att skära ett hål i sidan av att bygga och installera en 10-tons kran i taket att lyfta dem på plats-allt samtidigt som den renrumsmiljö med en luftsluss.

För att göra det ännu mer utmanande, EUV kräver en kraftfull laser system i subfab att generera extrem ultraviolett strålning. Den 27 kw CO2-laser bränder två uppsättningar av pulser genom en balk transport till renrum ovan där det leds till en plasma-fartyg och slår små droppar av tenn (ca 20 mikrometer i diameter). Pre-pulse plattar tenn droppe och de viktigaste puls förångar det att skapa en laser-producerade plasma (LPP) som avger EUV fotoner. Dessa samlas in av en speciell spegel som leder strålning i skanner när det reflekteras från en mönstrad masken på kiselskivan. Systemet är så komplext att en entreprenör, Total Anläggning Lösningar (en del av M+k konstruktion som bygger fab), har tillbringat månader på plats med hjälp av en 3D-laser scanner och BIM (Building Information Modeling) station för att rita ut den exakta placeringen av varje komponent.

Efter år av falska starter, EUV är nästan redo för hög volym tillverkning. “Vi är precis i brytpunkten-vi är alla i,” Caulfield sagt. “Jag är väldigt övertygad om att EUV kommer att bli en del av 7nm men det är inte klart idag.”

GlobalFoundries planer på att starta 7nm “risk produktion” någon gång nästa kvartal (vilket innebär att det kommer att vara i kommersiell produktion någon gång under första hälften av 2019) utan EUV, i stället förlita sig på 193nm nedsänkning fyrbäddsrum mönstring. Detta 7LP processen lovar 40 procent bättre transistor prestanda (eller 55 procent lägre effekt) och en 30 procentig kostnadsminskning. En hög-prestanda-versionen kommer att leverera ytterligare 10 procent hastighetsökning. Men GlobalFoundries säger att detta kommer att följas av versioner av 7nm att använda EUV för kontakter och vias, och så småningom lite metal lager, minska antalet kritiska lager med 20 procent-styckning cykel, tid och kostnad, och för att minska variationen. TSMC arbetar efter en liknande strategi, men Samsung har valt att vänta tills EUV är redo att inleda 7nm och Intels planer är fortfarande oklara.

globalfoundries2.jpg

GlobalFoundries har kommit en lång väg under det senaste året, men att gå tå-till-tå med dessa rivaler, det kommer att behöva fortsätta att göra framsteg i två områden.

För det första, det måste bredda sin kundbas. Förvärven av Singapores Chartered i 2010 och IBM Mikroelektronik i 2015 ha hjälpt. GlobalFoundries nu driver fem fabriker med en sjätte och en i Chengdu, Kina under konstruktion som tillsammans kan producera mer än 800 000 wafers per månad (200mm medel) för omkring 250 kunder. Men det behöver mer verksamhet utanför AMD och IBM i framkant.

GlobalFoundries sa att det har 82 mönster på 14nm i verk-och det har släppt en FX-14 ASIC process som ska tävla för den växande verksamheten AI acceleratorer. Även om det inte haft mycket tur med high-end mobil SoCs ännu, GlobalFoundries har drivit ett alternativt tillverkas på en annan typ av rån substrat, känd som FD-SOI (Fullt Utarmat Silicon-On-Insulator), som är väl lämpad för låg-kostnad mobila applikationer såsom mellanklass telefoner, kläder eller sakernas internet enheter.

För det andra, GlobalFoundries behöver för att utföra sin färdplan för teknik. Det har bara startat produktion på 12nm nödlösning för AMD, men 7nm ramp kommer att bli det verkliga testet eftersom det utvecklats in-house av ett team av cirka 400 ingenjörer.

Den nuvarande färdplan slutar omkring år 2020, men Patton säger forskningen är full av goda idéer. GlobalFoundries har runt 700 ‘experter’ som arbetar på framtida lösningar både i ett särskilt område vid Fab 8 och genom Albany Nanotekniska konsortium med IBM och Samsung, utrustning och material leverantörer och SUNY Polytechnic Institute. Framtida alternativ inkluderar nya material, såsom III-V-föreningar, eller gate-alla-runt strukturer som vertikala trådar eller horisontell nanosheets. Förra året, det konsortium som meddelade att det hade utvecklat den första arbetsdagen 5nm marker med EUV att tillverka nanosheets som en dag skulle kunna göra det möjligt processorer med upp till 30 miljarder transistorer

Dessa är enorma utmaningar. Men att se en avancerad fab upp-nära ger dig en förståelse för de utmaningar som industrin har redan övervunnit och mer förtroende för att det kommer att fortsätta att hitta nya sätt att göra saker mindre, snabbare och mer effektiv.

Relaterade Ämnen:

Hårdvara

Intel

ARM

Artificiell Intelligens

Innovation

0