Como um chip é feito: visitando globalfoundries

Fico sempre fascinado por aprender sobre o que é realmente necessário para tornar os dispositivos que tomamos como garantidos, e nenhum processo que eu conheço é tão complexo, complicado ou importante quanto fabricar os processadores que alimentam os telefones, PCs e servidores que administram nossas vidas diárias. Então, aproveitei a oportunidade para visitar a fábrica de ponta da GlobalFoundries em Malta, Nova York, para ver como a instalação de fabricação de chips (ou fab) evoluiu nos últimos anos.

É um processo incrível - a fab inclui mais de 1.400 ferramentas avançadas para a fabricação de chips, todas conectadas entre si, e a fabricação de uma bolacha típica que contém chips pode levar até seis meses. Fiquei muito impressionado com a complexidade cada vez maior desse processo e a extraordinária precisão necessária para criar os chips que todos usamos.

Já visitei a fábrica - que é conhecida como Fab 8 - antes, quando estava em construção e quando começava a produzir seus primeiros produtos: processadores projetados para os nós de processo de 32 nm ou 28 nm.

A fábrica está em um local interessante: o Campus de Tecnologia da Floresta Luther, em Malta, cerca de meia hora ao norte de Albany. Durante anos, o estado de Nova York vem pressionando para trazer mais tecnologia para a região, com esforços incluindo apoio às faculdades do Instituto Politécnico SUNY de Ciência e Engenharia em Nanoescala (CNSE) e ao Albany Nanotech Complex, um dos chips mais avançados do mundo instalações de pesquisa, que incluem representantes da GlobalFoundries, Samsung, IBM, muitas universidades de pesquisa e todos os principais fabricantes de ferramentas para fabricação de chips. A AMD havia contratado a construção de uma fábrica no complexo; quando a AMD interrompeu suas operações de fabricação de chips para se tornar GlobalFoundries em 2009 (agora de propriedade integral da Mubadala Investment Company de Abu Dhabi), a nova empresa construiu a fábrica.

Na minha última visita, há quase seis anos, a primeira fase - que incluía uma sala limpa de 210.000 pés quadrados para a fabricação real - estava em pleno funcionamento e com produção inicial, enquanto a Fase 2, com mais 90.000 pés quadrados, estava em construção.. Havia 1.300 pessoas no local, mas relativamente poucos produtos estavam sendo fabricados na época.

(Imagem da GlobalFoundries)

Hoje, essas duas primeiras fases são uma única sala limpa de 300.000 pés quadrados (300 pés de largura por 1000 pés de comprimento) e uma Fase 3 adicional de 160.000 pés quadrados também está em pleno funcionamento. Vi muita atividade e muitas bolachas de silício cheias de chips sendo produzidas.

Tom Caulfield, vice-presidente sênior e gerente geral da Fab 8, enfatizou que a GlobalFoundries havia investido muito mais no norte de Nova York do que seu compromisso original. Quando a fábrica foi planejada pela primeira vez, a empresa comprometeu-se a um investimento de US $ 3, 2 bilhões e a um quadro de funcionários direto de 1.200 pessoas, para uma folha de pagamento anual de US $ 72 milhões. Agora, ele disse, a empresa investiu mais de US $ 12 bilhões e possui cerca de 3.300 funcionários e uma folha de pagamento anual de US $ 345 milhões. E isso nem conta as 500 a 700 pessoas que trabalham na fábrica, mas são empregadas por outras entidades, observou ele, como técnicos que trabalham para fornecedores de ferramentas como ASML, Applied Materials ou LAM Research.

A GlobalFoundries também opera o que agora chama de Fab 9 em Burlington, Vermont, e Fab 10 em East Fishkill, Nova York, que são fábricas mais antigas que adquiriu da IBM. A empresa também possui grandes fábricas em Dresden, Alemanha, onde está trabalhando em seu processo de silício sobre isolador FDX; Chengdu, China; e em Singapura. No geral, a empresa diz que tem mais de 250 clientes.

Caulfield disse que a fábrica é uma fonte única para os processadores Ryzen da AMD, GPUs Radeon e chips de servidor Epyc, mas também tem dezenas de outros clientes.

A GlobalFoundries é uma das quatro empresas que fabricam chips lógicos de ponta. Os outros são a Intel, que fabrica principalmente chips para uso próprio; A Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), a fundição pioneira de chips, que fabrica chips para muitos clientes diferentes e é a principal competição da GlobalFoundries; e Samsung, que faz um pouco de ambos.

Dentro da fábrica

Nesta visita, eu e vários outros jornalistas fizemos um tour pelas instalações e pudemos ouvir sobre como as fichas são feitas. Em vez de começar com a sala limpa onde os chips são realmente fabricados, a turnê começou na "sub-fábrica", a vasta área abaixo da sala limpa que lida com o equipamento necessário para executar as ferramentas que os produzem. Isso inclui os sistemas elétrico, mecânico, de água e de manipulação de produtos químicos.

John Painter, diretor sênior de instalações, que fez o tour nessa área, explicou que todo o site inclui mais de 70.000 peças de equipamento, muitas das quais suportam as ferramentas menores de fabricação de cavacos na sala limpa. Quase todas essas ferramentas precisam ser resfriadas e todas funcionam melhor em temperaturas previsíveis, sob certas condições de umidade e pressão, de modo que esforços significativos são gastos para controlar o ambiente. Isso se torna mais complexo porque as ferramentas são atualizadas constantemente, com algumas entrando e outras fora da instalação. Painter explicou que, em geral, é necessário seis vezes mais espaço para o equipamento de suporte do que para a sala limpa.

Vimos áreas que processam a água purificada gelada usada na fabricação e lamas químicas para coisas como polir as bolachas. A fábrica possui instalações complexas que monitoram e controlam esses sistemas - que são capazes de medir itens em partes por trilhão, para que possam detectar qualquer vazamento no sistema -, além de um sofisticado sistema de segurança de vida. A sub-fábrica possui um teto de 10 metros e a área da Fase 2 inclui um mezanino para facilitar o acesso dos técnicos a todos os equipamentos. Esse piso contém muitas áreas separadas com equipamentos individuais (desde áreas de armazenamento de água e produtos químicos até sistemas de monitoramento), com quilômetros de tubulação conectando-o à sala limpa acima. Observei que grande parte da tubulação estava na verdade duplicada, com sensores dentro das tubulações para detectar se havia um vazamento.

Também existem vários outros edifícios no local, incluindo um prédio de utilidade central com caldeiras e resfriadores maiores, sistemas de resíduos a granel e etc.

Como um todo, a fábrica utiliza 80 megawatts de energia, fornecidos por linhas duplas de 150.000 volts. É fundamental que a energia seja contínua, pois qualquer variação pode atrapalhar a fabricação e possivelmente danificar as bolachas sendo processadas. Portanto, a instalação possui um sistema UPS de reserva, volantes e um gerador a diesel.

Eu estava particularmente interessado na quantidade de espaço exigido pelo novo equipamento EUV (que discutirei mais adiante). Mesmo no subsolo, esse equipamento exige uma área enorme, incluindo sua própria sala limpa em miniatura, onde as ferramentas produzem uma fonte de luz laser de alta intensidade, que se inclina pelo piso até a ferramenta EUV na sala limpa. O próprio sistema EUV necessitava de novos sistemas elétricos e de refrigeração, juntamente com água ultra-pura, e tanques e tubulações especiais que reduzam a contaminação por partículas.

Para colocar o sistema EUV no edifício, a fábrica principal foi selada primeiro. Um guindaste de 10 toneladas foi instalado no teto e, em seguida, um orifício foi aberto na lateral do prédio para mover o novo sistema maciço para dentro. Esse processo foi auxiliado em parte por um sistema de design de computador em 3D que usava imagens digitalizadas que capturavam a localização do equipamento existente até o nível de milímetro.

Até a sala limpa

(Imagem da GlobalFoundries)

Para visitar a própria sala limpa, tivemos que vestir as "roupas de coelho" (veja minha foto na parte superior deste post), projetadas para reduzir o número de partículas na área e o risco de que essa partícula pudesse atrapalhar a bolacha em processamento.

Uma coisa que notei é que, embora existam muitas máquinas no chão da sala limpa - mais de 1.400, de acordo com a GlobalFoundries -, não existem muitas pessoas.

Christopher Belfi, engenheiro principal das operações de fabricação, que nos deu o tour pela sala limpa, explicou que o objetivo é ter zero operadores no chão. As únicas pessoas que você vê estão instalando ou fazendo manutenção nas ferramentas, disse Belfi.

(Imagem da GlobalFoundries)

Em vez de os técnicos moverem as bolachas de uma ferramenta para outra, as bolachas são roteadas entre as ferramentas por meio de Pods Unificados de Abertura Frontal ou FOUPs, como eles os chamam, cada um com 25 bolachas - e você pode vê-las em movimento em toda a sala limpa. No total, existem 550 veículos em 22 quilômetros de trilhos, movendo e armazenando bolachas entre as ferramentas. Eles também movem retículos (as máscaras de chip que guiam a luz para cada camada de fabricação de chip) entre um local central de armazenamento e as ferramentas nas quais eles serão usados. Isso não reduz o número de pessoas necessárias, disse Belfi, pois as ferramentas ainda precisam ser controladas, mas reduz o tempo e os erros. Ele observou que, a qualquer momento, dezenas de produtos estão em vários estágios de fabricação, para várias dezenas de clientes, e cada produto tem seu próprio conjunto de retículos e seu próprio processo específico que utiliza ferramentas diferentes. Belfi chamou o Fab 8 de "o mais automatizado do mundo". Claro, também é um dos mais novos.

Algumas das fábricas possuem luz amarela, pois em um ponto da história do processo de fabricação era importante garantir que a bolacha não estivesse exposta à luz normal. No entanto, hoje em dia as bolachas não são expostas à luz externa, então é menos necessário.

Há muitas etapas envolvidas na fabricação de uma bolacha, e cada uma possui sua própria área da sala limpa: implante (adição de íons ao silício), planarização mecânica química ou CMP (polimento da bolacha), difusão, deposição de filmes finos, litografia e etch. As ferramentas de metrologia usadas para medir os recursos de chip em cada etapa do caminho estão localizadas em toda a fábrica.

Nós tendemos a falar mais sobre a litografia (que se refere ao uso da luz para expor um padrão na bolacha), pois é isso que se tornou a etapa mais complicada dos últimos anos. A técnica atual, que envolve o uso de 193nm de luz em um líquido (conhecido como litografia de imersão), não é mais suficiente para criar os menores elementos em um chip em uma única passagem; portanto, para nós como 14nm e 7nm, várias exposições (às vezes chamados padrões duplos ou mesmo padrões quádruplos). O ultravioleta extremo ou EUV é uma alternativa mais complexa, mas pode ser necessária para continuarmos a obter recursos menores em chips, e a GlobalFoundries está instalando duas dessas máquinas EUV, com espaço para mais duas. (Vou ter mais detalhes no próximo post.) Como isso não está pronto, por enquanto todos os chips fabricados na GlobalFoundries (e de fato todos os chips comerciais que conheço fabricados em qualquer lugar) são produzidos com litografia de imersão. Mas todas as etapas são cruciais e qualquer erro em qualquer etapa provavelmente tornará inúteis os chips da bolacha.

No total, um chip atual pode envolver até 80 camadas, e ainda mais etapas à medida que as bolachas passam entre as várias etapas do processo, principalmente à medida que avançam entre litografia e gravação em cada etapa de vários padrões (pode levar meses para produzir um chip high-end típico). É um processo fascinante e fico feliz por ver em primeira mão.

No próximo post, vou me concentrar mais no equipamento EUV que foi instalado recentemente na fábrica, bem como nos planos da GlobalFoundries para etapas futuras no processo de fabricação de chips.

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