[Перевод] От пластины до ПК. Внутри лаборатории Intel
Мир полупроводников сравним с мутными водами. Многие знают, что такое процессор и как он работает, однако с этапами его производства и применяемыми технологиями знакомы далеко не все. И потому когда меня пригласили на завод Intel в штате Пенанг (Малайзия), чтобы постичь искусство изготовления чипов, я с радостью согласился.
Если обобщать увиденное, то можно сказать, что помещения на территории завода можно разделить на зоны, где пластины режут на кристаллы, сортируют, затем устанавливают на подложки. На каждом этапе их неоднократно тестируют. Мы также побывали в лабораториях, где выявляют дефекты у кристаллов и чипов, проваливших испытания. Ещё там есть зоны, где производят испытательное оборудование, применяемое на фабриках Intel по всему миру.
Большинство устройств для тестирования производится внутри завода Intel
Сотрудник Intel, с которым я пообщался, считает свой завод самым высокотехнологичным в мире, и с этим трудно спорить.
Экскурсия состояла из двух частей. Даже из трёх, на самом деле. Сначала мы посетили завод по корпусированию и тестированию чипов в Пенанге (PGAT). Название говорит само за себя. Кристаллы здесь помещают с помощью манипулятора на подложку печатной платы, и наносят распределители тепла. Затем мы отправились в материковую часть страны, где расположен завод по сортировке и обработке кристаллов.
Что до статьи, то я разделил её по главам по производственным стадиям, а не в хронологическом порядке. Нам много где не разрешили вести съёмку и даже проносить блокнот, но я надеюсь, что память не подвела меня.
Intel представила амбициозный план развития
Во время экскурсии нам рассказали о концепции развития и планах Intel на ближайшие несколько лет. В 2021 г. компания представила стратегию IDM 2.0. После провала 10-нм узла на массовом рынке и пандемии, руководство компании решило пересмотреть свою стратегию.
Согласно ей, компании нужно создать устойчивые цепочки поставок и внедрить производственные процессы, которые бы эффективно масштабировались. Далее там, где нужно, задействовать производственные мощности отраслевых партнёров. В планы также входило создание Intel Foundry Services (IFS) — подразделения, где сотрудники будут делиться своим производственным опытом с компаниями, у которых нет собственных производственных мощностей.
И хотя многое из заявленного изначально было похоже на пиар-ход, сейчас очевидно, что корпорация всерьёз занимается реализацией своей стратегии. Достаточно взглянуть на количество денег, которое Intel тратит на производственные площади по всему миру, чтобы привлечь клиентов и тем самым поравняться в шансах c TSMC за лидерство в производстве полупроводников.
Руководство компании решительно настроено наладить производство пяти технологических узлов за четыре года. Производство чипов, изготовленных на узле Intel 7, идёт полным ходом, а на Intel 4 (Meteor Lake, например) — наращивает темпы. Intel 3 станет доработанной версией Intel 4. Intel 20A планируют выпустить во второй половине 2024 г., а 18A — в первой половине 2025 г. Это значит, что эра ангстремов не за горами, и 1-нм (10А) техпроцесс находится в разработке.
Про ИИ Intel тоже не забыла. Корпорация делает ставку на открытую экосистему, в рамках которой ИИ можно будет применять не только для облачных вычислений и больших языковых моделей, но также для повседневных вычислительных задач.
Резка пластин и сортировка кристаллов
Производственные объекты в городе Кулим расположены в материковой части Малайзии. Поступающие сюда пластины шлифуют, распиливают, сортируют, а затем готовые кристаллы отправляют на сборку на заводы по всему миру.
Здесь размещены площадки для производства и системной интеграции. Также тут выпускают машины для тестирования и печатные платы для фабрик и лабораторий Intel по всему миру.
Производства пластин у Intel в Малайзии нет. Их доставляют сюда прямиком с заводов США, Ирландии или Израиля.
Завод, куда поставляют пластины, называется KMDSDP (завод по обработке и сортировке кристаллов в городе Кулим). На типовые 300-нм пластины сначала наносят разметку с помощью лазера, а затем последовательно разрезают их пилой с алмазным режущим диском. Может показаться, что пила — это прошлый век, однако она справляется со своей работой с непоколебимой точностью. Отсюда готовые кристаллы отправляют на сортировку.
Сортировка нужна, чтобы определить, на что пригодны кристаллы, т.е. какие модели процессоров из них можно собрать. Так, например, тестируют и сортируют чипы 13 поколения Raptor Lake, чтобы определить, что из них можно сделать — i9 13900, 13900K или 13900KS.
Машина для сортировки — настоящее чудо техники. Одно такое устройство весит больше 450 кг. Вместе они выстроены плотными рядами и напоминают корабли на воздушной подушке. Подушки нужны для плавного движения, например, на тот случай, если устройству потребуется обслуживание. Мы видели, как пара человек ловко обращались с ним с помощью подъёмника.
Компонент машины для сортировки кристаллов
Для проведения тестирования кристаллы подключают к зондовой плате, на которой имеется тысячи иголок тоньше человеческого волоса. После диагностики чипы направляют на завод PGAT, где их корпусируют и тестируют.
Корпусирование
Чтобы попасть сюда, нам пришлось экипироваться. Это нужно, чтобы обеспечить чистоту помещения. Именно здесь, в одном из просторных, чистых помещений, размещается оборудование для установки кристаллов на подложки.
Раньше монолитные кристаллы просто приклеивали на подложку и этого было достаточно. Однако после смены дизайна микрочипов (или плиток, как сказали бы в Intel), процесс сборки сильно усложнился. С внедрением же 3D-интеграции и технологии Foveros корпусирование стало важной частью производства чипов.
Графический ускоритель Intel Ponte Vecchio тому пример. Он считается самым мощным процессором Intel. Состоит он из 47(!) отдельных плиток, изготовленных по 5 техпроцессам, и более 100 миллиардов транзисторов.
Процессоры Ponte Vecchio до и после нанесения эпоксидной смолы
Когда говорят о технологии изготовления процессоров, обычно вспоминают про литографию и узлы. Однако сборка кристаллов играет не менее важную роль. Здесь, на заводах Intel, берут все эти плитки от разных техпроцессов и даже производителей, и заставляют их контактировать друг с другом, не теряя при этом целостности сигнала и функциональности. Хорошая работа, Intel.
Как только чипы установят на подложки, на них наносят эпоксидную смолу. Это нужно для того, чтобы кристаллы находились на одном уровне и механическая нагрузка была распределена равномерно.
Затем чипы оставляют на какое-то время, чтобы смола застыла. Далее наносят термопасту или припой и устанавливают распределитель тепла (там, где возможно). После этого процессоры проходят ряд испытаний.
На территории PGAT имеются лаборатории по проектированию и разработке, анализу дефектов, а также испытанию процессоров на различных стадиях производства, включая набор задач, типичный для конечного пользователя.
Тестирование чипов
После того, как чипы смонтируют на подложку, их отправляют в отделение PGAT, где тестируют качество сборки. Сначала процессоры подвергают высоким температурам (более 100°С) и напряжению в пределах, указанных в спецификации. Затем c помощью электрических тестов проверяют функциональность чипов и подложек.
Системы для тестирования чипов на заводе буквально выстроены в ряды
Если всё в порядке, чипы испытывают в условиях, приближенных к реальным. Процессоры помещают на платформу для тестирования, похожую на всеми нами любимый ПК. На ней установлены различные ОС и ПО, что позволяет воспроизвести типичный для конечного пользователя набор задач. Я видел, как на нескольких системах запускали 3DMark. Не удивлюсь, если на них инженеры в Baldur«s Gate 3 играют. В исследовательских целях, конечно.
Устройство для тестирования целостности сигнала PCIe 5.0
Анализ дефектов
Не все процессоры Intel выходят с конвейера в отличном рабочем состоянии. Однако это не значит, что такие чипы никуда не годятся. Возможно, тестирование выявило отклонение от нормы каких-либо показателей, функциональный сбой или что-то, что требует подробного изучения. В этом случае их отправляют в специальную лабораторию.
Высокотехнологичные, работающие на программном обеспечении системы водяного охлаждения нужны для проверки для тепловых свойств чипа
Размеры её немногим уступают остальным фабричным площадям, но это не делает её менее интересной. Здесь имеется различное оборудование для выявления сбоев. В её арсенале имеются как обычные микроскопы для визуального осмотра и осциллографы для электрических тестов, так и более современная техника вроде тепловизоров. Больше всего моё внимание привлекла ультразвуковая установка для испытаний. На одном его из этапов чип помещают на воду. Самое время сказать, что делать фото, как и проносить с собой телефоны, часы и кошельки, нам не разрешили.
C помощью испытаний на высокое напряжение проверяют функциональность процессоров
Испытательное оборудование и его тестирование
Для таких производств, как у Intel, требуется много специальной техники. Оборудование здесь отличается высокой точностью. Такое не закажешь на eBay.
У техногиганта имеется подразделение под названием «Сервисы для Системной Интеграции и Производства» (SIMS). Здесь выпускают оборудование для тестирования чипов. Всё производство ведётся внутри компании. Есть даже подотдел, где тестируют устройства для тестирования.
Тестирование испытательного оборудования
Ещё пара наблюдений и заключительное слово
Когда я только начал писать статью, то очень сожалел о том, что нам не разрешили проносить записные книжки. Нет, я не собирался красть секретные сведения и затем передавать их в AMD. Мне хотелось запомнить тонны информации, что я получил.
И тем не менее экскурсия получилась замечательной. Для меня такое знакомство с внутренней кухней Intel стало бесценным опытом, в личном и профессиональном плане. Я привык думать, что знаком с технологией изготовлениячипов, однако размах, с которым Intel развернула свою производство, стал для меня настоящим откровением.
Ещё одним открытием стали полуавтономные роботы. Разъезжая по зоне сортировки и обработки, они всё время издавали мелодичный звон и с неизменной улыбкой перемещали кристаллы и пластины из одного помещения в другое.
Артур Чарльз Кларк запомнился не только как писатель-фантаст и футуролог, но и как автор трёх законов. Последний из них гласит: «Технология, значительно превосходящая по уровню известные нам, неотличима от магии».
Те, кто работает в Intel, скажут, что всё дело в передовых инженерных системах, которые там используют. Но увидев воочию, что творят эти парни, невольно задумаешься о магии. Если это не так, версия об инопланетянах тоже подойдёт.
