Cómo es el interior de una fábrica de Intel de 7.000 millones de dólares

El interior de las fábricas de Intel está lleno de millones de dólares en chips como este procesador Sapphire Rapids multicomponente que saldrá a la venta como el procesador de servidor Xeon insignia de Intel en 2022.

Stephen Shankland / CNET

Esta historia es parte de Viaje por carretera 2021, La cobertura de EDLdel tira y afloja para fabricar más productos en los EE. UU.

Cuando caminas entre las enormes máquinas dentro de una fábrica de chips Intel, te sientes a la vez empequeñecido y gigantesco.

Empequeñecido porque tales fábricas, llamadas fab, son instalaciones enormes que cubren decenas de acres. Y gigantes porque los procesadores que construyen son a menudo más pequeños que la uña del dedo meñique: los transistores son tan pequeños que miles de ellos podrían caber uno al lado del otro en el ancho de un cabello humano.

Las fábricas son el pináculo de la fabricación automatizada, el núcleo del plan del presidente ejecutivo Pat Gelsinger para recuperar el liderazgo de Intel en la fabricación de chips y la pieza central de un esfuerzo de la industria de chips de EE. UU. Y sus aliados políticos para recuperar la fabricación de alta tecnología de China y otras naciones asiáticas.

Robert Rodríguez / CNET

Pero, ¿cómo son realmente? ¿Realmente hay personas con trajes de conejito y brazos robóticos lanzando discos de colores del arco iris como Frisbees de $ 10,000? Visité dos fábricas de Intel en una parcela de 700 acres en los suburbios de Phoenix este otoño para averiguarlo como parte de la mirada de EDLa la fabricación en los EE. UU.

Aprendí que son altamente automatizados, terriblemente caros y los lugares menos polvorientos del estado.

Desde el exterior, las fábricas se parecen a otros enormes edificios industriales, rodeadas de conductos gigantes, estacionamientos y sistemas de purificación de agua. Pero las señales de tráfico son un claro indicio de lo que está sucediendo: Wafer Way, Angstrom Avenue, Cleanroom Corner, Transistor Terrace, Processor Parkway, Silicon Street. Tick-Tock Trail amortigua un poco la diversión: se llama así por el antiguo enfoque de Intel hacia el progreso constante del chip. Pero, como explico en mi artículo relacionado, cuando Intel falló espectacularmente hace varios años, los rivales Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp. (TSMC) y Samsung pudieron salir adelante.

Ver también: El plan de recuperación de chips de Intel podría restaurar la destreza de fabricación de EE. UU.

El Fab 42 de Intel costó $ 7 mil millones cuando comenzó su construcción en 2011. Ahora estas instalaciones cuestan $ 10 mil millones cada uno, aunque Intel espera que los subsidios estadounidenses en una posible legislación reduzcan el precio alrededor de $ 3 mil millones.

Chip fabs 101

El trabajo de una fábrica es ingerir rebanadas circulares de cristal de silicio impecable llamadas obleas y, después de aproximadamente 500 pasos de procesamiento que duran tres meses o más, escupir microprocesadores terminados. Cada chip tiene miles de millones de interruptores electrónicos de encendido y apagado llamados transistores que, marcando miles de millones de veces por segundo al ritmo del reloj del chip, procesan datos para que puedas enviar un mensaje de texto a papá o ver quién está tocando el timbre inteligente.

Una de las características de las fab es que están limpias. Realmente limpio. Cualquier mota de polvo o pelusa de la secadora arruinará un chip que puede venderse por cientos de dólares. Las operaciones de fabricación de chips sellan las obleas lejos del mundo exterior, y toda la fábrica está bajo presión de aire positiva para evitar que los contaminantes entren.

Para pasar de una máquina a otra, los módulos de plástico llamados FOUP (cápsulas unificadas de apertura frontal) baten pilas de obleas alrededor de la fábrica a lo largo de los rieles montados en el techo. Todo está gobernado por un sistema informático central que sabe qué obleas van a cada lugar para su fabricación y prueba. Los FOUP negros pasan zumbando por encima y luego caen sobre cables para descargar o recoger obleas a través de las escotillas de cada máquina de fabricación.

Hizo que los cientos de robots que vi hace unos años en la fábrica de Volkswagen en Wolfsburg, Alemania, parecieran gigantes torpes y tambaleantes. Por otro lado, pude ver cómo se fabricaban los autos. La mayoría de las veces, las obleas están escondidas, expuestas principalmente a costosos equipos de metrología que escanean en busca de defectos.

Humanos inmundos

Se necesitan más precauciones para protegernos de los humanos, con nuestro cabello que cae y las células muertas de la piel. Las personas deben encerrarse casi por completo dentro de los conjuntos a veces llamados trajes de conejito que Intel fue pionera en 1973. En Fab 42, que fabrica chips utilizando el nuevo proceso de fabricación de Intel 7, tuve que usar dos pares de guantes; el par exterior solo se usó durante mucho tiempo. lo suficiente para vestirme y luego desecharlo ya que había tocado mi ropa habitual.

También tuve que limpiar mi equipo de cámara antes de entrar en la fábrica, y usar un cuaderno especial de látex para sala limpia que arroja menos que un labradoodle hipoalergénico.

A pesar de lo que haya aprendido del anuncio del Super Bowl de 1997 de Intel, los trajes de conejito no son halagadores a menos que le guste el aspecto desaliñado de la bolsa de papel. Los botines especiales lo conectan a tierra eléctricamente, verificado mediante una prueba al ingresar, para que no golpee nada con su carga estática.

Cubiertas para el cabello, cubiertas para la barba y una máscara COVID-19 completaron mi transformación en un bípedo casi completamente anónimo reconocible solo por mi insignia codificada por colores. Sin embargo, mucha gente se acostumbra: Intel emplea a 12.000 en Arizona y 21.000 en sus fábricas de Oregón.

$ 150 millones de máquinas

Hay muchas máquinas para fabricar chips en una fábrica, pero las más prestigiosas están involucradas en el proceso de fotolitografía, traducido literalmente, escribir en piedra con luz. Los chips se fabrican al hacer brillar la luz ultravioleta a través de una máscara cuidadosamente diseñada que bloquea selectivamente la luz. La oblea, recubierta de antemano con un material sensible a la luz llamado fotorresistencia, se altera químicamente donde incide la luz.

La litografía es un negocio complicado ya que las características de los chips se han reducido tanto y siguen reduciéndose un poco más cada dos años. Un proceso llamado patrón múltiple permite a los diseñadores de chips usar varios pasos de iluminación, cada uno con su propia máscara, para crear un conjunto de estructuras más finas de lo que permitiría la longitud de onda de la luz. Es tan sensible que las fábricas se construyen en terrenos geológicamente estables y el equipo descansa sobre soportes aislantes de vibraciones.

Las últimas máquinas de litografía, del líder del mercado ASML, cuestan alrededor de $ 150 millones cada una y disparan diminutas gotas de estaño con láseres para generar luz de frecuencia ultra alta con una longitud de onda ultracorta. Intel apenas está comenzando a utilizar este proceso de litografía ultravioleta extrema, detrás de TSMC y Samsung, pero es uno de los pilares del plan de regreso de Gelsinger.

El costo creciente de este equipo es una de las razones de la Segunda Ley de Moore, que postula que el precio de una nueva fábrica se duplica cada cuatro años. El plan de recuperación de Intel involucra $ 20 mil millones en nuevas fábricas de Arizona ahora en construcción, miles de millones más para actualizar las fábricas en Nuevo México, Irlanda e Israel, y $ 200 mil millones para establecer dos sitios “megafabricados” completamente nuevos en los EE. UU. Y Europa.

Después del patrón, las obleas se trasladan a otra máquina que trata la oblea químicamente. Las áreas de fotorresistencia que se iluminaron se lavan, exponiendo los materiales debajo que luego se eliminan con otro proceso químico llamado grabado. La fotorresistencia protectora restante se elimina luego con otro proceso químico, y el ciclo completo se repite para otro conjunto de estructuras.

Las fábricas funcionan las 24 horas del día, los 365 días del año. Incluso entonces, se necesitan aproximadamente tres meses para convertir una oblea prístina en un producto terminado salpicado de docenas, cientos o incluso miles de chips rectangulares.

Chips de embalaje

Una segunda fábrica que visité, CH4, se especializa en lo que viene a continuación, el empaque. En la antigüedad, eso solo significaba conectar un chip a la carcasa de una placa de circuito y asegurarse de que estuviera protegido. Ahora, a menudo significa vincular varios “chiplets” juntos en un solo procesador más grande.

En el CH4 de Intel, este tipo diferente de trabajo fabuloso está en marcha. Es menos glamoroso que la fotolitografía: “Somos los tipos baratos. Usamos jeans y camisetas”, dice Babak Sabi, quien dirige el trabajo de desarrollo de empaques de Intel.

Pero es cada vez más importante. El empaque se está volviendo de alta tecnología, lo que permite enlaces de comunicación ultrarrápidos entre múltiples chiplets y ahora permite que los fabricantes de chips los apilen uno encima del otro en arreglos 3D de gran ancho de banda y que ahorran espacio. Permite a los diseñadores ensamblar un procesador combinando chiplets rápidos y costosos con otros más lentos y baratos que tampoco requieren un rendimiento de vanguardia.

El procesador Ponte Vecchio de Intel es un tour de force de empaquetado que combina 47 elementos de silicio activos separados, enlazados horizontalmente y apilados verticalmente. Esta vista muestra solo la mitad de uno de los mil millones de procesadores de transistores.

Stephen Shankland / CNET

Desde CH4, un avión de Intel lanza chiplets fabricados en Oregon a Arizona dos veces al día. Vienen en carretes, cada chiplet sellado dentro de una funda de plástico. Cada pocos segundos, un brazo robótico arranca un nuevo chip y lo coloca con cuidado encima de un compañero que todavía está entre sus pares en la oblea. Otras técnicas de unión colocan chips individuales uno encima del otro o incluso unen obleas enteras.

Los chips de servidor Sapphire Lake que vi se enviarán en 2022, con cuatro chiplets enlazados uno al lado del otro dentro de un paquete. También se exhibieron versiones de prueba de los chips de PC 2023 Meteor Lake que carecían de circuitos de procesamiento reales, pero que podían usarse para probar la tecnología de apilamiento 3D.

Cerca había enormes procesadores Ponte Vecchio que combinan 47 elementos de silicio activo en un dispositivo informático gigante. Estos son los cerebros de Aurora del Laboratorio Nacional Argonne, que se espera que sea la supercomputadora más rápida del mundo cuando se encienda en 2022.

Es fascinante ver estas astillas ultracomplejas de poder de cómputo silbando por encima de la cabeza y desenvolviéndose en las máquinas de embalaje. Pero después de unas horas, me quité el traje de conejito, tiré mis guantes a la basura y regresé al cálido aire de Arizona.

Intel está luchando por recuperar su estatus de líder en la industria de los chips. Incluso en tercer lugar, sin embargo, sus fabulosas están tarareando.

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