GlobalFoundries, a spasso nella fonderia di Dresda

Siamo ormai così circondati da dispositivi high-tech che difficilmente ci fermiamo a riflettere su cosa ci sia dietro ognuno di essi. Chip elettronici contenenti milioni di transistor, a volte miliardi, governano le funzioni dei prodotti più disparati, dall’auto al telefonino, dal computer portatile alla TV dalle macchine fotografiche alle lavatrici.

La sempre maggiore responsabilità assegnata alla componente elettronica fa si che sia necessario utilizzare circuiterie più complesse il che si traduce immediatamente in un maggior numero di transistor. Per poterne integrare sempre di più occorrono tecniche capaci di sfidare le leggi della fisica: da anni ormai sentiamo dire che il silicio è arrivato alla frutta ma nel frattempo le tecnologie di processo micro si sono evolute e così quelle nano arrivate attualmente ai 32nm (nanometri).

La situazione odierna è proprio questa: le fonderie di semiconduttori sono in grado di sfornare chip realizzati con tecnologia a 32nm grazie alla quale è possibile integrare al loro interno fino ad alcuni miliardi di transistor. La rapida evoluzione in questo settore ha portato alla nascita di nuovi player che negli ultimi anni si sono imposti come leader di mercato.

GlobalFoundries: Fab 1 di Dresda

A poco più di due ore di volo dall’Italia, a Est di Francoforte, la città tedesca di Dresda ospita una delle più importanti fonderie per la produzione di semiconduttori. GlobalFoundries (GF) è nata da uno spin-off di AMD che nel Marzo 2009 ha deciso di scorporare l’attività di progettazione da quella di fonderia al fine di poter liberamente scegliere a chi commissionare la produzione in base a specifiche esigenze di mercato (l’attuale produzione di chip AMD è già affidata in parte a GF, che sforna principalmente microprocessori, ed in parte a TSMC che invece si occupa della produzione di GPU).

Qualche giorno fa siamo stati invitati per partecipare ad un tour guidato e ad una conferenza stampa tenutasi in una delle fonderie di GlobalFoundries, la Fab 1 di Dresda . Questo ci ha permesso non solo per osservare da vicino il nanoscopico mondo dei chip elettronici ma anche di ottenere importanti informazioni sulle tecnologie e sui prodotti che saranno disponibili in un prossimo futuro.

Un plastico della struttura attuale della Fab 1 di Dresda

Pur se la storia di GF è molto recente, l’esperienza accumulata al suo interno deriva da anni di produzione sotto l’egida di AMD. Oggi l’azienda ha la sua sede principale nella Silicon Valley e conta oltre 11.000 impiegati dislocati nei centri di produzione e nei punti di supporto in tutto il mondo. Il produttore vede come principali concorrenti TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) ed UMC (United Microelectronics Corporation) ma stima di potersi definitivamente imporre nei prossimi anni grazie ad un aumento sostanziale della capacità produttiva che permetterà di migliorare anche i tempi di risposta alle esigenze dei clienti.

A differenza di altri produttori GF ha fatto una scelta di delocalizzazione con l’intento di ridurre al minimo il pericolo geografico (pensate al Giappone per capire quanto questo aspetto possa essere importante per garantire sempre un adeguato livello di soddisfazione ai propri clienti).

Una realtà delocalizzata

L’azienda prevede piani di espansione al di fuori della Germania con nuove fonderie che andranno ad aggiungersi a quelle attualmente già produttive. L’azienda sta completando la fabbrica di Saratoga, New York, nella quale saranno prodotti chip con tecnologia a 28nm e successive, continuando ancora sulla strada della delocalizzazione.

Le fonderie per la produzione con wafer da 300mm

Attualmente GF dispone di 3 fonderie di cui due in produzione, la Fab 1 di Dresda e la Fab 7 di Singapore, mentre la Fab 8 di New York deve ancora partire. I tempi di realizzazione di quest’ultima sono stati decisamente rapidi e dal 2012 l’azienda si aspetta di lavorare a regime fino a 60.000 wafer al mese.

Le fonderie per la produzione con wafer da 200mm

Le fonderie che lavorano su wafer da 200mm hanno base a Singapore. Da queste escono chip meno complessi dedicati, ad esempio, al settore automotive.

Prodotti che fanno uso di chip realizzati nelle fonderie GF

GF ha attualmente in portafoglio 150 clienti fra cui diverse aziende di grosso calibro. Anche se non siamo riusciti ad ottenere una lista precisa di clienti e di quanto ognuno di essi conti in termini di fatturato, AMD resta quello principale ma non certamente il solo.

Fonderia di Dresda

La fonderia di Dresda, che produce utilizzando wafer da 300 mm ed impiega circa 3.200 persone, prevede tre clean room completamente separate che possono produrre l’una indipendentemente dall’altra. La produzione può dunque continuare anche nel caso di contaminazione o altri problemi che dovessero bloccare una delle "stanze pulite". Un miliardo e mezzo di dollari sono stati stanziati nell’ultimo anno per creare una nuova clean room da 10.000 metri quadrati ed incrementare ulteriormente la capacità produttiva fino a 80.000 wafer al mese. Per i prossimi anni si prevede un incremento della forza lavoro fino ad un massimo di 5.000 unità.

Le clean room rappresentano le parti più tecnologicamente avanzate di una fonderia. La loro realizzazione segue una progettazione molto meticolosa che deve tenere in conto variabili presenti e future: ad esempio è necessario prevedere ampi spazi per il passaggio di cavi di corrente, tubi per la circolazione di liquidi e gas e condotti di areazione, tutti aspetti vitali per il buon funzionamento di una simile struttura.

Schema della costruzione di una clean room

All’interno degli impianti di produzione di GF non è stato possibile scattare alcuna foto. Quello qui sopra è solo uno schema sommario di come queste stanze sono realizzate: la parte esterna è fisicamente staccata da quella centrale per evitare la trasmissione di vibrazioni che potrebbero inficiare il processo litografico di produzione del chip. Nella clean room , dove ovviamente chi lavora entra solo se dotato di speciali tute e mascherine, viene soffiata aria condizionata filtrata da ogni impurità ed arriva acqua purissima, utile al lavaggio dei wafer, ricavata dalla normale acqua potabile ma praticamente senza impurità (abbiamo visto le indicazioni sui display dei filtri che riportano livelli di impurità pari a 0,04 parti per miliardo).

La struttura prevede anche tutta una serie di tecnologie atte a garantire un’elevata efficienza nella gestione delle risorse: l’energia elettrica viene prodotta in loco mentre l’acqua utilizzata per la pulizia dei wafer viene recuperata con un ciclo chiuso riducendo l’energia necessaria a purificarla (nonostante sia stata utilizzata, quest’acqua resta ancora enormemente più pura di quella potabile). L’acqua che invece finisce nei processi contaminanti viene depurata dalle sostanze nocive e non più riutilizzata. Dirk Wristers, vicepresidente della sezione Technology & Integration Engineering di G,F ha discusso della storia dell’azienda che a tutti gli effetti potrebbe essere presa a rappresentazione dell’intera storia dell’elettronica moderna.

Dirk Wristers

L’evoluzione dei processi produttivi negli ultimi 10 anni ha portato dalla realizzazione di chip a 180nm con interconnessioni in rame a quelli a 28nm nei quali si fa uso di materiali di nuovissima concezione per come quelli usati nei dielettrici Ultra Low-k.

Evoluzione nella produzione dei semiconduttori

Pur non volendo scendere nei dettagli, la produzione di un chip elettronico passa per un certo numero di fasi (chi è interessato può dare uno sguardo a questo breve articolo di Wikipedia ):

1. Processi di deposizione : utili a depositare uno strato di materiale purissimo sul wafer di Silicio mediante tecniche come ALD (Atomic Layer Deposition) o crescita epitassiale. Negli ultimi anni si sono affermate alcune tecnologie come quella SOI (Silicon on Insulator), che GF ha cominciato ad utilizzare nel 2003 nella produzione delle CPU AMD Athlon, e Strained Silicon ove uno strato di silicio-germanio viene interposto tra il silicio grezzo e quello puro per aumentare la mobilità degli elettroni.
2. Processi di rimozione : servono per sottrarre selettivamente materiale dal wafer e sono effettuabili mediante corrosione o abrasione chimico-meccanica. Questa fase viene principalmente utilizzata per separare i vari livelli di deposizione.
3. Processi di litografia : sono i processi utili ad eliminare parte del materiale al fine di creare i circuiti sul wafer di silicio. Il loro funzionamento è simile a quello per la realizzazione dei circuiti stampati ove lo strato di rame (in questo caso il wafer) viene ricoperto da una sostanza fotoresistente ed una maschera (di plastica trasparente nel caso di circuito stampato, di quarzo nel caso di wafer) con il disegno del circuito viene utilizzata per far passare o meno un fascio di luce ultravioletta che imprime il photoresist sul wafer e permette, mediante ulteriori processi chimici o fisici, la rimozione delle parti non utili.
4. Processi di modifica delle proprietà elettriche : questa fase permette di creare i veri e propri transistor grazie al drogaggio con impurità. La tecnica utilizzata di recente è quella di impiantazione ionica alla quale segue un processo di ricottura del wafer ed esposizione a luce ultravioletta per modificare la costante dielettrica dei materiali isolanti e diminuire le correnti di dispersione (materiali a bassa costante k).

Quanto detto spiega perché sia importante, per ottenere effettivi avanzamenti in questo settore, agire su tutte le possibili variabili dalla ricerca di nuovi materiali, al miglioramento dei processi di litografia e drogaggio fino allo studio di nuove tecniche per la realizzazione dei chip.

Processo di litografia

GF è stata la prima ad introdurre la litografia ad immersione che ha permesso di ridurre notevolmente i tempi che intercorrono fra la realizzazione dei primi chip con una determinata tecnologia fino alla loro produzione di massa quando si raggiunge una resa accettabile. I primi chip che hanno beneficiato di questa tecnologia produttiva sono stati quelli delle CPU x86 AMD Instabul a 45nm (Opteron Six-Core).

Andamento della resa produttiva

In meno di un anno, GF ha portato il processo produttivo a 45nm SOI ad avere una resa accettabile, affinandola man mano fino ad oggi. Per il processo produttivo a 32nm SOI GF registra una curva simile e la stessa si aspetta per quello a 28nm.

Bassi tempi per raggiungere le rese sperate

I benefici dei materiali con elevata costante k (high-k) portano a mantenere inalterate le correnti ON mentre riducono quelle di leakage di una buona percentuale rispetto ai materiali precedentemente utilizzati. GF afferma di essere la fonderia con il più basso Time-to-Volume nella produzione di chip a 45nm e 40nm così come sta accadendo per i chip HKMG a 32nm (e per i futuri chip a 28nm).

Uno scaling perfetto grazie alla tecnologia HKMG

Quando si parla di processo produttivo di un semiconduttore si fa riferimento alla minima lunghezza consentita per la realizzazione del canale (nel quale scorre la corrente) di ogni singolo transistor. Questa viene scalata ogni volta che c’è un avanzamento della tecnologia, ora fermo a 32nm.

Streetman and Banerjee, Solid State Electronic Devices

Ma guardando la struttura di un transistor MOS è facile intuire che le dimensioni da tenere in considerazione sono anche altre: ad esempio la lunghezza del gate e lo spessore dello strato di ossido. Arrivati al nodo a 90nm, non è stato più possibile ridurre queste ultime due di pari passo con la lunghezza del canale. Grazie alla tecnologia High-k Metal Gate si torna finalmente ad agire anche sulla lunghezza del gate e sullo spessore dell’ossido che con il nodo a 32nm sono pari all’incirca a 30nm e 0,8nm rispettivamente. La situazione dovrebbe rimanere favorevole almeno fino al nodo dei 14nm: poi sarà necessario pensare ad altro.

Nuovi materiali e approccio gate-first per il nodo a 32nm

In precedenza avevamo citato l’importanza dei nuovi materiali: per migliorare di volta in volta il processo produttivo è necessario studiare il comportamento atomico dei materiali utilizzati e probabilmente introdurre opportune modifiche alle strutture cristalline o utilizzare nuovi droganti. Per esempio, la tecnologia a 32nm SOI HKMG prevede non solo una struttura avanzatissima per il gate ma anche l’utilizzo di leghe Silicio-Germanio (Strained Silicon) per il substrato o di Nitride Spacer per isolare le diverse parti.

Perché utilizzare l’approccio gate-first

Con la tecnologia HKMG si torna a parlare della possibilità di continuare ad utilizzare la tecnica gate-first o passare alla tecnica gate-last. Per la cronaca, Intel e TSMC utilizzano la tecnologia replacement metal gate (RMG) anche detta gate-last mentre GF, almeno fino al nodo a 28nm, utilizza la tecnica gate-first. Le differenze fra le due tecnologie sono da ricercare nel modo in cui l’elettrodo di metallo è depositato, azione che può avvenire prima o dopo la fase di tempra ottenuta con temperature superiori ai 925°C.

I benefici dei gate high-k come la riduzione delle correnti di leakage e della capacità parassita che può essere ottenuta grazie al più contenuto spessore dell’ossido, portano con sé anche un fattore negativo come l’aumento della temperatura ed una maggiore difficoltà nel controllare la tensione Vt (tensione di soglia da applicare al gate perché avvenga la commutazione) specie nei transistor PMOS. Chi ha scelto l’approccio gate-first argomenta che questo offre regole di progettazione meno restrittive promettendo dunque tempi più rapidi per la transizione in quanto non è necessario riprogettare il chip e comunque il raggiungimento del livello di prestazioni attese (GF afferma che le prestazioni dei mosfet costruiti con tecnica gate-first sono uguali se non superiori a quelle dei modelli costruiti con tecnica gate-last). Comunque sia, l’azienda utilizzerà l’approccio gate-first fino al nodo a 20nm per poi passare a quello gate-last. Il livello tecnologico raggiunto è utile non solo per costruire i prodotti che ci si aspetta da esso ma anche come base per le future evoluzioni. La tecnologia HKMG, unitamente a tutte le altre introdotte in precedenza, permetterà di migliorare ulteriormente i processi produttivi per approdare al prossimo nodo a 28nm.

I benefici del prossimo nodo a 28nm

GF pone molto l’accento sulla compatibilità dei futuri processi gate-first con tecnologia HKMG e gli attuali strumenti di layout e design: nessun cambio significativo da questo punto di vista con l’attuale tecnologia a 40nm ma un netto miglioramento in quanto a densità e prestazioni. La strada di transizioni molto morbide che privilegino la riduzione dei costi da parte del cliente è la stessa tracciata dal consorzio Common Platform Alliance di cui GF fa parte assieme a IBM e Samsung.

La transizione verso i 28nm. Sarà davvero indolore?

Il passaggio dalla tecnologia a 32nm a quella a 28nm, secondo quanto affermato dal portavoce di GF, dovrebbe essere completamente indolore. Tutti i tool di progettazione restano identici, così come gli elementi tipici della piattaforma a garanzia di una transizione molto rapida verso il nuovo processo produttivo con enormi benefici per tutti i clienti della fonderia, AMD in primis .

Si procederà poi con il nodo a 20nm

Il passaggio ai 20nm richiederà un nuovo intervento sulla tecnica di produzione che dovrà modificare l’attuale approccio HKMG: arrivati a questo punto, anche GF pensa sia necessario utilizzare l’approccio gate-last al fine di poter controllare correttamente la tensione Vt. Il nodo a 20nm permetterà di ridurre sensibilmente l’area necessaria ai circuiti logici ed alle memorie SRAM ed includerà nuove tecniche di interconnessione come MOL (middle of line layer) o BEOL (back-end-of-line).

Per ora ci si ferma ai 14nm

L’ultima evoluzione sulla quale si stanno già facendo delle sperimentazioni è quella a 14nm. Mosfet multigate come quelli FinFET proposti dall’Università di Berkeley, ottimizzazione delle maschere e del processo di litografia nel suo complesso e miglioramento della tecnologia SOI con l’utilizzo di un layer ancora più sottile (ETSOI o extremely thin SOI), sono le principali novità di questo processo.

GF afferma di essere al lavoro anche per migliorare il packaging, aspetto che potrebbe essere considerato secondario ma sul quale invece pesa un ruolo decisivo per il buon funzionamento di un chip e il corretto routing delle connessioni dall’interno verso l’esterno. Tutti gli oggetti hi-tech che quotidianamente utilizziamo potrebbero presto diventare molto più leggeri, piccoli e dotati di un’autonomia più elevata grazie agli avanzamenti nelle tecnologie di produzione dei semiconduttori. Attualmente GlobalFoundries sta producendo chip a 32nm High K Metal Gate con l’approccio gate-first e così continuerà anche con il prossimo nodo a 28nm per il quale sono già disponibili i tool di sviluppo e le librerie. Nel 2013 dovrebbe partire invece la produzione di chip a 20nm (gate last) mentre il settore ricerca e sviluppo è fortemente impegnato su quella a 14nm. Seppure un domani dovesse essere raggiunto il limite fisico del silicio, quello che si sta tentando di fare è allontanare il più possibile questa data.

Dal punto di vista economico GlobalFoundries è una realtà in forte espansione con interessanti progetti per aumentare la capacità produttiva e la forza lavoro. Un business supportato da investitori, ma soprattutto da clienti molto importanti, e sicuramente caro alle autorità tedesche: oggi lavorano al suo interno oltre 3.000 persone e nei prossimi anni potrebbero essere creati altri 2.000 posti di lavoro.

La scelta di Dresda come sito per la costruzione della fonderia Fab 1 ha permesso alla cittadina tedesca di diventare il fiore all’occhiello di un’Europa troppo spesso ingessata su business tradizionali e poco incline all’innovazione. Il polo tecnologico di Dresda può essere annoverato fra i più avanzati del Vecchio Continente e chissà se forse qualcuno in Italia non si stia mordendo le mani (all’epoca della costruzione della fonderia, i giornali avevano riportato alcune indiscrezioni sulla possibilità che la fonderia fosse costruita in Italia).

Concretamente GF continuerà a produrre chip su wafer da 300mm nella Fab 1 di Dresda dove si sta completando la costruzione di una nuova clean room. Anche la Fab 8 di New York è ormai vicina al completamento e da essa usciranno, nel 2012, chip a 28nm e successivi con una capacità di 60.000 wafer al mese. Gli investimenti già stanziati sono davvero enormi: solo per il 2011 si parla di 5,4 miliardi di dollari, il doppio di quanto fatto nel 2010. Essi serviranno anche ad espandere la capacità produttiva dei chip su wafer da 200mm della quale attualmente si fa carico la sola fonderia di Singapore.