Tehnologije proizvodnje čipova

Izlizane debate o održivosti Murovog zakona gube se u žiži tehnoloških rasprava o tranzistorskim proizvodnim procesima. Budućnost ispod 10 nm oslanja se na saradnju timova i kombinovanje patenata više kompanija.

Vrednost tržišta poluprovodničkih tehnologija (u milijardama dolara)

Tržišni uspeh postojećih tehnologija konstantno pruža nova sredstva za stalna ulaganja u razvoj i napredak budućih proizvodnih standarda. Nema stajanja. „The show must go on„, rekao bi Merkjuri, a mi dodajemo da je u igri ekonomskih brojki tempo žustriji no što je to bio slučaj u poslednjih nekoliko godina. Recesija je, čini se, iza nas i rast proizvodnje (i potrošnje) je vidan i značajan. Tržište u trenutku nastanka nekog čipa oblikuje ga na više načina, bez obzira na to da li će taj čip naći svoje mesto u mobilnom telefonu, tabličnom računaru ili ultrabuku. Svake godine u tržište poluprovodničkih tehnologija upumpaju se desetine milijardi dolara, a poslednji podaci pokazuju da se nalazimo u dobu linearnog rasta vrednosti ovog segmenta tržišta. Taj rast garantuje nova radna mesta, nove tehnologije, nove proizvode i novu nadu da industrija poluprovodničkih komponenti, integrisanih kola i procesorskih komponenti može biti zamajac oporavka čitavog tržišta informacionih tehnologija.

Dakle nada postoji u teoriji, ali stvarnost ipak traži nešto više pažnje. Pitanja su postavljena tehnološkim liderima. Želite li da postignete serijsku proizvodnju u proizvodnim procesima od 10 nm, pa čak i manjim? U redu, onda ćete morati da uložite (inicijalno) velike količine novca kako biste osvojili sve neophodne tehnologije u čijem zbiru postoje uslovi za postizanje efekata koje planirate. Jedan uslov jeste novi vafer – kružna pločica sa nanetim supstratom u koji se svetlošću urezuju slojevi budućih procesora. Drugi uslov je nova tehnologija utiskivanja tranzistora. Smanjivanje talasne dužine svetlosti koja se primenjuje osnovni je preduslov za smanjivanje čipa. Na tom planu, neophodne su nove tehnologije kako bi se održao nivo proizvodnje koji će opravdati visoka ulaganja na početku čitavog procesa. Više o ova dva uslova, nosećim stubovima budućnosti proizvodnje čipova, saznaćete u narednim redovima.

Troškovi i prinos

Iz priloženog grafika lako može da se vidi kako je u slučaju prethodnih veličina vafera potražnja imala relativno pravilne krive u kojima se u prvih pet godina postiže gotovo eksponencijalni rast. Rep, odnosno kriva opadanja potražnje za određenom veličinom vafera može potrajati i nekoliko decenija što se može videti u slučaju vafera veličine 200 mm

Povećanje površine silicijumskog vafera jedna je od najbitnijih tranzicija ka tehnologiji budućnosti. Ako postoji jedan potez kojim možete da smanjite troškove, povećate prinose po vaferskoj jedinici i omogućite bolju uposlenost fabrika – to je povećanje prečnika supstrata.

Brojevi su najbolji argumenti koji potvrđuju ovakvu tvrdnju. Fabrika sa većom površinom vafera (450 mm) i kapacitetom od 42-45.000 jedinica mesečno proizvodi isti broj procesora kao konkurentska sa starijim procesom (300 mm) i 100.000 vafera mesečno. U pogledu troškova, proizvođači ističu da se kapitalni troškovi smanjuju gotovo za trećinu dok se troškovi po proizvedenoj pločici smanjuju između četvrtine i trećine, u korist novijeg, većeg vafera.

Vremenske odrednice u procesu dostizanja pune proizvodnje vafera od 450 nm

Dakle, 2,25 puta veća površina vafera i 2,4 puta veća efektivna površina čipa su osnovni parametri novog vafera. Ipak, da bi se postigla serijska proizvodnja ovakvog vafera, potrebno je ispuniti mnoge tehnološke zadatke, koji su sve osim jednostavni. Koliko je situacija komplikovana, pokazuju i troškovi.

Tako, na primer, za proizvodnju modernog procesora u tehnologiji od 14 nm, potrebno je oko 8,5 milijardi američkih dolara. Od toga 150 miliona dolazi na troškove dizajna integralnih kola. Zatim, 1,3 milijarde dolara vredi razvoj proizvodnog procesa, a preostalih 7 milijardi košta sama fabrika sa starijim vaferima, veličine 300 mm. Ipak, i ova impresivna svota pada u senku inicijalnog ulaganja u novi proizvodni proces. Samo fabrika u kojoj se koriste vaferi od 450 mm košta između 10 i 15 milijardi dolara. Sem toga, cena dizajna integralnih kola i troškovi razvoja samih proizvodnih procesa takođe su veći. Prirodno, mali je broj kompanija koje raspolažu sa desetinama milijardi dolara koje su neophodne da bi se počelo s ovakvom proizvodnjom čipova. Kako bi se tehnološki cilj dostigao ranije, kompanije iz čitavog ekosistema udružuju se u konzorcijume iz kojih svi uzimaju ono što im je potrebno za kreiranje proizvodnog procesa, a u „bubanj„ vraćaju sve što je deo zajedničkog tehnološkog konteksta. Ovakvih konzorcijuma je nekoliko, a članice su sve same vrhunske kompanije u svom poslu, od Intela, TSMC-a i GlobalFoundriesa kao predstavnika proizvođača čipova, do Panasonika, Fujitsua, Sonija i drugih proizvođača potrošačke elektronike. Naravno, tu su i Samsung, Micron, SK Hynix i ostali lideri u svojim tehnološkim segmentima. Svi koje možete zamisliti, osim IBM-a. IBM svoju tehnološku bitku bije poprilično samostalno. Možda je i zato prisutan (na liderskim pozicijama) tolike decenije, a sasvim sigurno je zbog toga bio „neprijatelj„ nekada mladih konkurenata, krajem sedamdesetih godina prošlog veka (Apple).

Intelov plan razvoja novih proizvodnih procesa

Do proizvodnog procesa od 10 nm, postojeću tehnologiju finFET, koju Intel poprilično koristi u svom proizvodnom ciklusu, trebalo bi da zameni tehnologija zasnovana na high-mobility materijalima. Dobri poznavaoci govore kako postoji pet kandidata za tehnologiju proizvodnje ispod 10 nm. Među njima su očigledni uljezi TFET (tranzistori zasnovani na efektu tunelovanja) i tranzistori zasnovani na nanocevima (IBM), a sve šanse se dodeljuju germanijumskim finFET tehnologijama.

Napomenimo i to da je ulaganje u proizvodnju vafera od 450 mm takođe i javni državni cilj jedne nacije – Izraela. Naime, veliki broj konzorcijuma koje smo pominjali osnovani su u Izraelu. Recept je sledeći. Izrael godinama ulaže u tehnologije proizvodnje čipova i pod svoje okrilje je doveo najveća imena tehnologije. Ulogu kakvu danas Izrael zauzima moguće je održati samo sa nastavkom ulaganja u vrhunske tehnologije. Ako imate kompaniju registrovanu u Izraelu, dobrodošli ste u konzorcijum i možete konkurisati za sredstva koje dodeljuje Vlada države i pomoću kojih povećavate ulaganja u proizvodni proces. Jedna od retkih kompanija koja ulaže u ovakve ideje, ali ne povlači novac od države Izrael je Intel. Iznenađenje ili ne, prosudite sami.

EUVL

Drugi stub tehnoloških procesa budućnosti koji će omogućiti proizvođačima elektronskih čipova, integrisanih kola i komponenti savremenih procesora da veličinu proizvodnog procesa uspešno spuste ispod 10 nm je postupak ekstremne ultraljubičaste litografije (eng. Extreme ultraviolet litography, EUV ili EUVL). Litografija predstavlja postupak izrade integrisanih kola utiskivanjem šara u supstratu uz pomoć svetlosti. Poluprovodničkoj litografiji je najsličnija fotografija. Ono što je film u slučaju fotografije to je silicijum u slučaju poluprovodničke litografije – supstrat u koji se pomoću svetlosti urezuju oblici.

Metod duboke ultraljubičaste litografije (eng. Deep ultraviolet litography) nas je dobro služio u proteklim decenijama, ali su mane ovog postupka postale problem sad kada se došlo do savremenih proizvodnih procesa blizu 10 nm. Kako bismo razumeli zbog čega je ovaj postupak nedovoljno dobar za proizvodne procese koje težimo, potrebno je da se analizira čitav postupak. Silicijumski vafer se delimično premazuje foto-odbojnim slojem dok se deo ostavlja nepokriven. Posebnom maskom se definiše „prozor„ kroz koji će da prođe emitovana svetlost i nakon čega će deo vafera premazan foto-odbojnim slojem da očvrsne. Prolazak svetlosti izvodi se kroz posebna sočiva koja omogućavaju pravilno usmeravanje svetla na vafer. Formula za sitnije komponente je jasna – što je manja talasna dužina emitovane svetlosti, to je moguće urezati sitnije komponente, a to znači da će ih na istoj površini biti više. Problem kod procesa duboke ultraljubičaste litografije je što, nakon što se pređe određena granica, smanjivanje talasne dužine emitovane svetlosti dovodi do toga da sočivo gotovo potpuno upija emitovanu svetlost, umesto da je usmerava i propušta. Rešenje ovog problema je u delimičnoj promeni paradigme i prelasku na pomenuti EUVL.

Umesto sočiva, ova tehnologija koristi posebna, konveksna i konkavna ogledala. Njen prototip smo videli već davne 2001. godine, a delo je konzorcijuma po imenu EUV LLC čiji su članovi gotovo svi velikani tehnološkog zamajca potrošačke elektronike, od Intela do Sonija.

Postupak ovog oblika litografije je sledeći: laserski snop svetlosti usmerava se ka smesi gasa ksenona i nakon kontakta sa gasom podstiče njegovo zagrevanje. U tom procesu se stvara plazma, ali dovodi i do toga da atomi ksenona otpuštaju elektrone i emituje se svetlost talasne dužine od 13 nm.

Svetlost od 13 nm sprovodi se u poseban kondenzator koji ima zadatak da je sakupi u cilju preciznijeg usmeravanja kroz masku na supstrat. Na ogledala se nanose apsorberi svetlosti tako da se „nacrta„ šara koja predstavlja nivo budućeg čipa i na taj način se izrađuju maske. Šara sa maske nanosi se na supstrat (silicijumski vafer) putem niza krivolinijskih ogledala radi smanjivanja veličine slike i boljeg fokusiranja svetlosti.

Ovim postupkom talasna dužina smanjuje se više od 10 puta. Duboko ultraljubičasta litografija je koristila svetlost talasne dužine 248 nm dok se u savremenoj proizvodnji najviše koristi svetlost talasne dužine 193 nm.

Ipak, nije sve sjajno kada je u pitanju ovaj postupak. EUVL mora da se odvija u vakuumu jer svetlost tako male talasne dužine upijaju čak i najsitnije čestice. Pored toga, ogledala u upotrebi je potrebno premazati slojevima molibdena i silicijuma kako bi se obezbedio visok procenat refleksije. Jedan od timova koji razvijaju ovu metodu uspeo je da postigne rezultat od svega 70 odsto reflektovane svetlosti. Ovakvi podaci još ne uveseljavaju investitore. Ako na sve to dodamo i činjenicu da je utrošak struje u odnosu na konkurentske metode veći i do pet puta, a da se za hlađenje upotrebi i do 30 puta više vode po jedinici vremena jasno je da je EUVL još daleko od pune produkcije. Poslednje izjave iz Intela, GlobalFoundriesa i TSMC-a potvrđuju ovu tezu i najavljuju da bi puna, serijska proizvodnja koja koristi EUVL mogla da se očekuje od 2017. godine.

• • •

Vremena se menjaju. Industrija proizvodnje čipova je vrhunska visokotehnološka grana privrede, a opet, ne tiče se samo država kao što su SAD i Japan. Ulogu u ukupnoj proizvodnji čipova imaju i druge države, poput Izraela, Kine, Brazila, Španije, ali i Srbije. Verovatno ste čuli da je jedna od kompanija koje u ovom sektoru raspolažu značajnim sredstvima, Mubadala, zainteresovana za ulaganja u fabriku čipova u našoj državi. Mubadala je kompanija sa investicijama u AMD-u i GlobalFoundriesu i svakako je entitet koji može mnogo toga da omogući, kako za razvoj ove industrije u Evropi, tako i za pozicioniranje Srbije na mapi vrhunskih tehnologija. Prva faza najavljenih investicija trebalo bi da bude razvojni centar. To znači da će stotine radnih mesta spremno čekati na vas ili vaše najbliže poznanike. Srbija bi tako mogla da postane regionalni lider u ovoj sferi tehnologije. Tržište zrelo za ulaganja i investicije na vidiku. Zvuči kao savršena podloga za stabilnu karijeru koju danas retko ko može da obeća.

Momir ĐEKIĆ