Como construir uma fábrica de semicondutores por US$ 2 bilhões
Dificuldade e custo do processo de fabricação de semicondutores
- A fabricação de semicondutores é muito mais difícil que a manufatura comum devido a processos complexos e a limites de erro rigorosos.
- O tamanho dos transistores dos semicondutores modernos está na escala de nanômetros, exigindo uma precisão dezenas de milhares de vezes maior que a da manufatura comum.
- Apenas uma partícula de poeira ou uma diferença de posição de poucos átomos pode estragar um chip inteiro.
- Pequenas diferenças na concentração de impurezas ou na velocidade do processo também não são permitidas.
- A história da fabricação de semicondutores é uma batalha contínua contra esses efeitos sutis com impacto potencialmente catastrófico.
- Quanto menor o dispositivo semicondutor, mais difícil fica.
- Uma fábrica moderna de semicondutores precisa criar um mundo de extrema precisão e previsibilidade.
- Deve bloquear todos os efeitos que possam atrapalhar o processo e eliminar pequenas variações.
- Isso deve ser mantido em ambiente de produção em massa com dezenas de milhares de wafers por ano, centenas de milhões de chips (cada um com dezenas de bilhões de transistores).
Estrutura da fab de semicondutores
- A fábrica de semicondutores moderna costuma ser composta por 4 andares.
- O núcleo é a sala limpa, onde ocorrem os processos de fabricação.
- Abaixo da cleanroom há a camada de subfab (normalmente 2), com equipamentos, tubulações e cabeamento que suportam as operações da sala limpa.
- Acima da cleanroom existe um espaço com ventiladores e filtros que filtram e recirculam o ar.
- Na sala limpa estão alocados equipamentos de processo individuais (process tools), como litografia, CVD e implantadores de íons.
- Uma fábrica de lógica moderna precisa de mais de 1.000 process tools para produzir 40.000 a 50.000 wafers por mês.
- Com a transição para wafers de 300 mm, o uso de AMHS tornou-se obrigatório.
- A cleanroom é projetada para reduzir ao máximo a contaminação. Fabs de semicondutores mantêm limpeza em nível Classe 10/100.
- A estrutura faz o ar descer e circular por meio de filtros HEPA/ULPA instalados no piso.
- A sala limpa é mantida em pressão positiva para impedir entrada de ar externo.
- Fábricas recentes adotam estratégia de miniambiente, transportando wafers em FOUPs e selando os próprios equipamentos de processo.
- São projetadas para bloquear todas as interferências, como vibração, luz, eletricidade estática e ondas eletromagnéticas.
- No subfab são instalados equipamentos de suporte ao processo, como lasers e bombas a vácuo.
- Instalações especiais e tubulações são necessárias para manipular produtos químicos tóxicos e tratar resíduos.
- No entorno da fábrica, são necessárias instalações de suporte, como separação de oxigênio/nitrogênio e produção de água ultrapura.
- Uma grande fábrica de semicondutores tem consumo de energia equivalente ao de uma usina nuclear (100 MW).
Construção da fábrica de semicondutores
- São necessários cleanrooms de centenas de milhares de pés quadrados e centenas de acres de terreno.
- A obra consome dezenas de milhares de toneladas de aço e centenas de milhares de jardas cúbicas de concreto.
- A Intel usa, em uma nova fábrica, o dobro de concreto do Burj Khalifa e cinco vezes mais aço que a Torre Eiffel.
- Para garantir a precisão, é necessário um contingente de milhares de especialistas. A nova fábrica da Intel prevê até 9.300 pessoas; a TSMC, 12.000.
- Após o blow down, são necessários de 6 meses a 1 ano para setup dos equipamentos.
- A construção da fábrica costuma levar de 2 a 4 anos. Nos Estados Unidos, leva mais tempo que na Ásia e custa 30% a 400% mais.
Custos de construção da fábrica de semicondutores
- Entre 70% e 80% dos custos de construção vão para compra de equipamentos de processo.
- A parcela de instalações mecânicas e elétricas da construção de fácies representa mais de 2/3. Em construção residencial, fica abaixo de 20%.
- A maior parcela dos custos dos equipamentos é da litografia; isso corresponde a cerca de 20% do custo total da construção, tão caro quanto o próprio prédio da fábrica.
- A cada transição para um novo nó de processo, o custo de construção da fábrica sobe 30%.
- O aumento de preços de equipamentos devido à miniaturização de transistores e ao maior número de máscaras/processos é o principal motivo.
- O aumento da necessidade de automação associado à expansão do wafer para 300 mm também é um motivo.
- Com a elevação do custo de construção, diminui o número de IDMs com fábricas próprias, aumentando a expansão do modelo foundry com separação entre design e produção.
Opinião do GN⁺
- A fabricação de semicondutores pode ser considerada uma engenharia extrema que exige precisão em escala atômica, e o texto faz perceber a complexidade e sofistinação dos semicondutores que sustentam a civilização moderna.
- Há muitas informações úteis para ler as tendências da indústria de semicondutores, como a transição de IDM para foundry e o cancelamento da transição para wafers de 450 mm.
- Explica muito bem, de forma concreta, por que o custo de construir fábricas é astronômico e quanto cada parcela custa.
- Considerando a complexidade do processo, o prazo de 2 a 4 anos de construção é, na verdade, até rápido; o que chama atenção é que nos EUA leva muito mais tempo do que na Coreia ou Taiwan.
- A concentração dos principais fornecedores de equipamentos de processo ultracaros (ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron) evidencia a estrutura oligopolística da indústria de equipamentos de semicondutores.
- Fica a curiosidade de saber como será essa indústria de processos tão sofisticados com mais automação e operação sem operador. Como a participação de mão de obra é menor, parece que o mérito da automação pode ser reduzido.
1 comentários
Discussão do Hacker News
Graças ao CHIPS and Science Act, a TSMC e a Intel estão construindo uma nova fábrica de semicondutores em Phoenix, Arizona, o que é essencial tanto sob a perspectiva econômica quanto da segurança nacional
Vai levar alguns anos até entrar em produção, mas os efeitos do CHIPS Act na vida das pessoas já estão aparecendo, desde as obras atuais até a formação de talentos e do ecossistema de empresas de apoio para o futuro
Entrevista oral de história do Morris Chang, fundador da TSMC:
É fácil se distrair com Angry Birds no iPhone e esquecer, mas há uma enorme pesquisa, recursos e conhecimento especializado por trás da tecnologia moderna
Se quiser saber mais sobre a história e o dilema atual da indústria de semicondutores, recomendo o livro Chip Wars do Chris Miller
Há um vídeo interessante de um aluno do ensino médio que montou sua própria fábrica de semicondutores na garagem dos pais com baixo orçamento. Eu queria ver se ele chegaria ao ponto de montar uma CPU 6502 em casa, mas, infelizmente, ele não levou isso adiante
Apple, Nvidia e outras passaram para um modelo "fabless", em que projetam os chips e terceirizam a fabricação para uma "foundry" como a TSMC, reunindo pedidos de várias empresas de chips para atingir a escala necessária nas linhas de processo mais avançadas
No longo prazo, o treinamento de IA também pode se tornar um modelo parecido
As tolerâncias típicas dos processos manufatureiros podem diferir em, no mínimo, 10 vezes. Dizer que a tolerância da usinagem CNC é de 0.125mm não faz sentido
Pela Lei 2 de Moore (Lei de Rock), o custo de uma fábrica de semicondutores dobra a cada 4 anos. Isso sugere que, em 30 anos, uma única fábrica custaria mais de US$ 3 trilhões, indicando um limite superior para melhorias tecnológicas impostas por motivos econômicos
Conseguir US$ 20 bilhões para construir uma fábrica de semicondutores é como aquele meme de desenhar uma coruja
Eu sabia que uma fábrica de semicondutores era incrivelmente complexa, mas este artigo ainda é chocante
Em um canteiro de obras de US$ 40 milhões, ao ver operários, máquinas e materiais em movimento, dá para perceber que está vendo US$ 40 milhões se movendo