Cómo construir una fábrica de semiconductores de 20 mil millones de dólares
Dificultades y costos del proceso de fabricación de semiconductores
- La fabricación de semiconductores es mucho más difícil que la fabricación convencional debido a sus procesos complejos y a los límites de error muy estrictos
- Los transistores de los semiconductores modernos están en escala nanométrica y exigen una precisión cientos de miles de veces mayor que la fabricación común
- Una simple mota de polvo o una diferencia de posición de unos pocos átomos puede arruinar un chip completo
- No se tolera ni siquiera una pequeña diferencia en la concentración de impurezas o en la velocidad del proceso
- La historia de la fabricación de semiconductores es la de enfrentar efectos de ese nivel con consecuencias catastróficas
- Cuanto más pequeños se vuelven los dispositivos semiconductores, más difíciles se vuelven los problemas
- Una fábrica moderna de semiconductores debe crear un mundo de extrema precisión y previsibilidad
- Debe bloquearse cualquier efecto que pueda interferir con el proceso y eliminar las desviaciones mínimas
- Todo esto debe mantenerse en un entorno de producción masiva de cientos de miles de obleas y cientos de millones de chips al año (cada uno con miles de millones de transistores)
Estructura de una fábrica de semiconductores (Fab)
- Una fábrica moderna de semiconductores suele tener 4 niveles
- La parte central es el nivel de sala limpia donde se realiza la fabricación
- Debajo de la sala limpia está el subfab, normalmente 2 niveles, donde están los equipos, tuberías y cableados de soporte
- Encima de la sala limpia hay un espacio con ventiladores y filtros para filtrar y recircular el aire
- En la sala limpia se colocan equipos de proceso individuales (herramientas de proceso), como litografía, CVD, inyector de iones, entre otros
- Una fábrica lógica de semiconductores de última generación requiere más de 1,000 herramientas de proceso para producir 40,000~50,000 obleas al mes
- Al pasar a obleas de 300 mm, el uso de equipos de transporte automático (AMHS) se vuelve imprescindible
- La sala limpia está diseñada para minimizar la contaminación; los semiconductores mantienen una limpieza de nivel Clase 10/100
- La recirculación del aire se hace desde abajo mediante filtros HEPA/ULPA en el piso
- La sala limpia se mantiene en presión positiva para evitar la entrada de aire externo
- Las fábricas más modernas usan FOUP para mover obleas de forma sellada y adoptan una estrategia de miniambiente sellando también los equipos de proceso
- Están diseñadas para bloquear toda fuente de interferencia, como vibraciones, luz, electricidad estática y ondas electromagnéticas
- En el subfab se colocan equipos de soporte para la fabricación como láseres y bombas de vacío
- Se requiere equipo y tuberías especiales para manipulación de químicos tóxicos, tratamiento de residuos, etc.
- Afuera de la planta se necesitan instalaciones auxiliares, como equipos para separar oxígeno/nitrógeno y producción de agua ultrapura
- Las grandes fábricas de semiconductores consumen energía en torno a 100 MW, similar a una planta nuclear
Construcción de una fábrica de semiconductores
- Se necesitan decenas de miles de pies cuadrados de sala limpia y cientos de acres de terreno
- Se utilizan decenas de miles de toneladas de estructura de acero y cientos de miles de yardas cúbicas de concreto
- Intel usó el doble de concreto que la Burj Khalifa y cinco veces más acero que la Torre Eiffel en una planta nueva
- Para asegurar la precisión se requieren miles de profesionales; Intel empleó hasta 9,300 personas en su nueva fábrica, y TSMC usa 12,000
- Después del blow down, se necesita de 6 meses a 1 año para la puesta en marcha del equipo
- La construcción de una fábrica suele tardar de 2 a 4 años. En Estados Unidos dura más que en Asia y además cuesta entre 30% y 400% más
Costos de construcción de una fábrica de semiconductores
- Entre el 70% y el 80% del costo de construcción se usa para comprar equipos de proceso
- Los equipos mecánicos y eléctricos representan más de 2/3 del costo de construcción, mientras que en vivienda residencial suelen ser menos del 20%
- La mayor parte del costo del equipamiento la concentran las herramientas de litografía. Representan alrededor del 20% del costo total de construcción, tanto como el costo del edificio
- Cada vez que se avanza a un nodo de proceso nuevo, el costo de construcción de la fábrica sube un 30%
- El aumento de precios de equipos por la miniaturización de transistores y el mayor número de máscaras y etapas de proceso son causas principales
- El mayor grado de automatización necesario al pasar a obleas de 300 mm también es una causa
- El aumento de costos está reduciendo la presencia de IDM con fábricas propias y expandiendo el modelo de foundry, en el que diseño y fabricación se separan
Opinión de GN+
- La fabricación de semiconductores puede verse como ingeniería extrema que exige precisión a nivel atómico. Es material que hace palpable la complejidad y precisión de los semiconductores que sostienen la civilización moderna
- Hay muchas informaciones útiles para leer las tendencias de la industria de semiconductores: la transición de IDM a foundry, el abandono de la migración a obleas de 450 mm, entre otras
- Explica claramente por qué el costo de construir una fábrica es astronómico y desglosa cuánto cuesta cada partida
- Es interesante que, considerando la complejidad del proceso, 2~4 años sea en realidad un plazo rápido; sin embargo, en EE. UU. es mucho más largo en comparación con Corea o Taiwán
- También se puede ver en que los proveedores clave de equipos de proceso de alto costo están concentrados, como ASML, Lam Research, Applied Materials y Tokyo Electron, entre otros
- Queda la duda de qué pasará cuando una industria de proceso tan sofisticada como los semiconductores avance hacia la automatización y la operación sin personal. Con una baja participación de mano de obra, parece que la ventaja económica de la automatización podría ser menor
1 comentarios
Opinión de Hacker News
Gracias al CHIPS and Science Act, TSMC e Intel están construyendo una nueva fábrica de semiconductores en Phoenix, Arizona, y esto es esencial tanto por razones económicas como de seguridad nacional.
Aunque la producción tardará varios años en llegar, ya se notan los efectos del CHIPS Act en la vida de la gente: la construcción actual, la formación de personal para el futuro y el ecosistema de empresas de apoyo.
En una entrevista de historia oral de Morris Chang, fundador de TSMC:
Es fácil olvidarlo mientras juegas Angry Birds en un iPhone, pero hay una enorme cantidad de investigación, recursos y conocimiento experto detrás de la tecnología actual.
Si quieres saber más sobre la historia de la industria de semiconductores y su dilema actual, te recomiendo el libro "Chip Wars" de Chris Miller.
Hay un video interesante de un estudiante de secundaria que construyó su propia fábrica de semiconductores de "bajo presupuesto" en el garaje de sus padres. Me habría gustado que lo llevara hasta fabricar un CPU 6502 en casa, pero lamentablemente no fue más allá.
Apple, Nvidia y otras empresas pasaron al modelo "fabless", en el que diseñan chips y subcontratan la fabricación a foundries como TSMC. Al reunir pedidos de distintas compañías de chips, alcanzan la escala necesaria para las líneas de proceso de vanguardia.
A largo plazo, el entrenamiento de IA también podría seguir un modelo similar.
Las tolerancias en una planta de fabricación típica difieren por al menos un orden de magnitud. Decir que la tolerancia de maquinado CNC es de 0.125 mm no tiene sentido.
Según la segunda ley de Moore (ley de Rock), el costo de una fábrica de semiconductores se duplica cada 4 años. Esto sugiere que en menos de 30 años una sola planta costaría más de 3 billones de dólares, lo que indica un límite práctico superior para la mejora tecnológica impulsada por el costo.
Asegurar 20 mil millones de dólares para construir una fábrica de semiconductores es como el meme de dibujar un búho.
Sabía que una fábrica de semiconductores era increíblemente compleja, pero este artículo sigue siendo impactante.
Cuando visitas una obra de 40 millones de dólares, al ver a los trabajadores, equipos y materiales en movimiento, piensas en cuánto dinero está circulando en esos 40 millones.