Главная страница Visual 2000 · Общий список статей
В гостях у Intel в ИрландииАндрей Колесов
© 1997, Андрей Колесов В ноябре 1997 года по приглашению...
Intel в Ирландии
Технология производства —
основа прогресса вычислительной техники
Как выпекаются кристаллы
О главной военной тайне
В ноябре 1997 года по приглашению...
В ноябре 1997 года по приглашению Intel мне в составе группы российских журналистов удалось побывать в европейским производственном центре корпорации. Он находится в Ирландии, в местечке Лейкслип (Leixlip), пригороде Дублина.
Говоря об индустрии Intel, следует подчеркнуть, что она состоит из двух в общем-то независимых технологических линий: изготовление электронных микросхем и производство систем. К первым относятся не только процессоры, но и наборы схем для материнских плат, микроконтроллеры, а также модули флэш-памяти. Под системами понимаются разнообразные компьютерные модули в виде плат: материнские, сетевые, коммуникационные и пр., а также системные блоки компьютеров.
Производство микросхем в свою очередь четко делится на два разных процесса: выращивание электронных кристаллов (производство пластин-вафель) и изготовление на их основе законченных продуктов (сборка и тестирование). Это может показаться парадоксальным, но данные две операции выполняются даже не в разных цехах — соответствующие заводы находятся в противоположных частях света.
Ключевую роль в деятельности Intel, безусловно, играет производство кремниевых вафель, которое по сути дела является одной из вершин современных высоких технологий. Именно с ним связана подавляющая часть капиталовложений корпорации (6,9 млрд. долл. в 1997 г.). Поэтому неудивительно, что практически все мощности производства по выращиванию кристаллов находятся в США. В то же время большинство заводов по сборке и тестированию размещаются в юго-восточной Азии.
Intel Ireland Ltd. является единственным производственным центром корпорации в Европе. Выбор пал на Ирландию совсем не случайно — ее облюбовали многие мировые производителей компьютерной индустрии в качестве производственной базы для европейского региона. Как подчеркивают представители Intel, это объясняется благоприятными условиями для инвестиций, экономической и политической стабильностью, удачным географическим расположением на перекрестке мировых транспортных коммуникаций, а также наличием квалифицированных специалистов.
История ирландского комплекса началась в 1990 г. с вводом в эксплуатацию фабрики ESSM (European Site for Systems Manufacturing), которая сегодня включает два производственных цеха: по выпуску материнских плат и сборке ПК-платформ. В 1993 г. рядом с ней была возведена фабрика Fab 10 для производства кремниевых вафель по технологии 0,6 мкм. Сейчас по соседству закончено строительство новой фабрики Fab 14, на которой в первой половине 1998 г. должен начаться выпуск кристаллов по новейшей технологии 0,25 мкм.
Чтобы оценить уровень затрат на возведение современных производственных линий в сфере высоких технологий, следует сказать, территория фабрик ESSM, Fab 10 и Fab 14 составляет соответственно 25, 56 и 75 тыс. кв.м., а их строительство велось в течение одного, двух и трех лет. При этом общие затраты на сооружение первых двух фабрик составили за пять лет 1 млрд. долл., а последней — 1,5 миллиарда. И всю территорию этого комплекса, на возведение которого затрачено 2,5 млрд. долл., можно обойти по периметру за 10-15 минут.
Несмотря на высокий уровень автоматизации, число сотрудников центра весьма значительно — около 5000 человек (ESSM — 1500, Fab 10 — 1500, Fab 14 — 2000). Большая численность персонала Fab 10/14 в какой-то степени объясняется тем, что это производство работает в круглосуточном непрерывном режиме, а ESSM — в две смены шесть дней в неделю. Обслуживанием центра занято также более тысячи человек из местных компаний, а до недавнего времени на сооружении Fab 14 работало 1200 строителей. Для Ирландии, где проблема безработицы весьма ощутима, наличие такого крупного потребителя рабочей силы (причем высококвалифицированной) является очень важным. Тем не менее, нужно отметить, что заработки сотрудников центра отнюдь не выглядят астрономическими — 19-27 тыс. долл. в год и 20% премиальных — на фоне довольно значительных налогов (25-30%) и высокого уровня местных цен по сравнению с США и странами континентальной Европы.
Технология производства — основа прогресса вычислительной техники
Безусловно, наибольший интерес у нас вызывало производство по выращиванию кристаллов микросхем, в котором Intel является одним из мировых лидеров. Фактически, весь прогресс вычислительной техники на протяжении последних тридцати лет определяется одним ключевым параметром вроде бы чисто технологического процесса — средним характерным размером отдельного элемента кристалла.
С момента выпуска первого микропроцессора в 1972 г. технологические нормы в микроэлектронном производстве снизились с 10 до 0,25 мкм. Именно это позволило повысить число транзисторов на одном кристалле с 2,3 тыс. (i4004) до 7,5 млн. (Pentium II) и увеличить тактовую частоту с 108 КГц до 333 МГц. (Несколько упрощенно можно считать, что производительность процессора возрастает пропорционально числу транзисторов и тактовой частоте. Т.е. вычислительная мощность процессоров Intel возросла за 25 лет в 10 миллионов раз! И этом примерно при одинаковой стоимости производства в пределах 50-100 долл.)
За последние двенадцать лет динамика смены технологии производства выглядит следующим образом: 1,5 - 1,0 - 0,8 - 0,6 - 0,35 - 0,25. Как видно из этого ряда, смена технологии происходит каждые 2-2,5 года. И хотя снижение технологических норм происходит в среднем на 25%, каждый такой шаг является по существу небольшой научно-технической революцией. И весьма серьезными капиталовложениями в производство.
По сути дела каждая фабрика по выращиванию кристаллов представляет собой некоторую производственную линию разового действия: в ее рамках можно менять топологию и микросхемы, но базовая технология остается неизменной. Это хорошо видно на примере ирландской Fab 10.
Всего четыре года назад это было самое современное производство Intel (хотя и не единственное). До 1996 г. на ней выращивались кристаллы для Pentium 75-120 МГц и Pentium Pro 150 и 166 МГц. Год назад Intel прекратила выпуск процессоров по технологии 0,6 мкм и сейчас там делаются кристаллы для модулей флэш-памяти и вспомогательных микросхем. В принципе завод может проработать на этом оборудовании еще несколько лет в таком же режиме, перейдя потом к изготовлению специальных микроконтроллеров, для которых критичность к технологии не столь высока.
Однако планами компании предусмотрена полная остановка Fab 10, ее переоборудование под более современную технологию (скорее всего, это будет 0,18 мкм). Таким образом получается, что жизненный цикл фабрики составит всего пять лет. Конечно, переоборудование цеха обойдется дешевле стоительства нового завода, но все же это будет очень серьезная и дорогая модернизация.
Исходным материалом для производства кристаллов служат 200-миллиметровые зеркально отполированные кремниевые пластины, сырьем для которых служит обычный песок. Именно поэтому территория вблизи Сан-Франциско, где в свое время разместились ведущие исследовательские и производственные центры США, получила название "Кремнивая долина" (Silicon Valley). Само производство таких пластин с чистотой материала 99,999999% является весьма непростым (Intel покупает их готовыми), но в стоимости конечного продукта их доля невелика, порядка одного процента.
Суть производства кристаллов заключается в нанесении на эту пластину физических неоднородностей, которые превращаются в отдельные элементы электрической схемы — транзисторы, диоды, сопротивления, конденсаторы и пр. На одной пластине выращиваются одновременно десятки и даже сотни таких микросхем. В результате полированная пластина покрывается причудливым микроскопическим узором и становится похожа на "вафлю".
Однако, чтобы пластина превратилась в вафлю, на нее нужно нанести около 20 слоев с различными физическими свойствами. Для этого методом фотолитографии последовательно создается 20 различных масок, которые должны иметь погрешность отклонения между собой не более 0,1 мкм. Общее число технологических операций составляет около трехсот, причем некоторые из них длятся по нескольку часов.
Основной производственный процесс осуществляется в относительно небольшом помещении (на Fab 10 это зал в несколько сот квадратных метров), называемом "чистой комнатой класса 1" (не более 30 частиц диаметром до 0,2 мкм на один кубический метр воздуха). Полное обновление воздуха в помещении происходит каждые 10 секунд. Кстати, производственный корпус фабрики состоит из двух зданий, одно внутри другого. Во внешнем здании установлено оборудование для очистки воздуха, воды и некоторых химикатов. Здесь же находится сам цех по выпечке пластин, который занимает не более четверти пространства и установлен на отдельном, антисейсмичном фундаменте.
Доступ людей в помещение цеха сведен к минимуму. Каждый специалист, работающий в нем, проходит через несколько последовательных раздевалок, последовательно надевая защитные средства, в том числе и шлем с индивидуальной системой очистки воздуха, и выходит в рабочий зал в виде тех самых "BunnyPeople", которых мы часто видим в рекламе Intel по телевидению. Правда, они не такие нарядные — костюм полностью белого цвета, увидеть внутри цеха людей можно в общем-то редко. И самое главное — стиль их работы весьма размеренный и спокойный. Судя по всему, пляшут они не в служебных помещениях.
В этой связи хотелось бы подчеркнуть, что гости Intel смогли увидеть во всех деталях работу Fab 10 и ее сотрудников. Дело в том, что сам цех представляет собой одноэтажное помещение размером примерно 70 на 70 м с прозрачными стеклянными внешними стенками и перегородками между отдельными комнатами. По его внешнему периметру проходит коридор, по которому и проводят экскурсантов. Из него виден практически каждый уголок цеха, его оборудование и обслуживающий персонал. Так вот — людей очень мало, в основном они находятся в комнатах с контрольной аппаратурой. Вход в "чистую половину" возможен только в неординарных ситуациях. Из движущихся механизмов видны только перемещающиеся по подвесному монорельсу контейнеры с кремниевыми пластинами.
После многочисленных операций по выращиванию кристаллов, пластина попадает в "северный ангар", где на нее наносится четыре-пять слоев металлизации для соединения отдельных элементов микросхемы. Затем пластина попадает на тестирование. Каждый процессор (или другая микросхема) проходит первичное тестирование на работоспособность. При этом одной из важнейших тестовых операций является визуальный контроль (разумеется, выполняемый автоматически) качества структуры (рисунка) каждого процессора. Бракованные процессоры тут же помечаются.
Такими образом за два месяца блуждания по цеху, размером не более полгектара чистая кремниевая платина превращается в вафлю с изощренными электрическими микросхемами. Вафли отправляются на один из сборочных заводов Intel в Восточную Азию или США, где они распиливаются на отдельные кристаллы, которые помещаются в отдельные корпуса с надежными внешними контактами. После этого процессоры проходят тщательное тестирование в условиях температурных, механических и влажностных нагрузок. Затем готовые изделия отправляются потребителям, причем некоторые из них возвращаются (после двухнедельного путешествия по заграницам) на родину... в Лейкслип, но уже на фабрику сборки ПК-платформ.
Итак, цикл производства законченного микропроцессора занимает десять недель, шесть из которых приходится на завод по изготовлению вафель и еще две — на операции корпусирования и тестирования.
С точки зрения производства кристаллов процессоры различаются не по тактовой частоте, а только по типу микросхем и по технологии их выращивания. Например, Fab 10 в течение трех лет выпускала только один тип процессоров Pentium — по технологии 0,6 мкм. А уже на этапе тестирования готового изделия (где-то в Малайзии) определялось, что же получилось в итоге — Pentium 75 или 133 МГц.
В этой связи нужно отметить, что микроэлектронная промышленность характеризуется одним очень важным параметром — выходом годных изделий. При этом она существенно отличается от традиционных производств следующими моментами:
1. Выпускаемые даже на одной технологической линии изделия могут довольно сильно различатся по выходным параметрам (например, разброс максимальных рабочих частот — почти в два раза).
2. По сути дела каждая производственная линия представляет собой научно-исследовательскую лабораторию, в которой постоянно происходит совершенствование технологического процесса. В результате процент выхода годных изделий и их технические параметры постоянно повышаются.
Это можно проиллюстрировать на примере с Fab 10 (все данные о проценте годных изделий являются условными, но с качественной точки зрения — верными). В момент запуска производственной линии в эксплуатацию процент годных Pentium мог составлять несколько процентов, причем почти все они устойчиво работали только на частоте 75 МГц. С течением времени процент годных изделий повышался, при этом многие из них уже могли работать на частоте 90 МГц. В этот момент Intel объявила о выходе новой модели — Pentium 90.
Производственный процесс шел, процент годных микропроцессоров повышался (появлялись и Pentium с новой частотой). В какой-т момент процент годных изделий приблизился к величине в 80-90 процентов, причем все они могли уверенно работать на минимальной частоте 90 МГц — в этот момент Intel объявил о прекращении поставок модели 75 МГц. К концу 1996 г. процент годных приблизился к 95%, причем все они могли работать на частоте 133 Мгц. А еще спустя месяц Intel... прекращает их производство на Fab 10. Почему?
1. Повышать дальше тактовую частоту модели Pentium-0,6 мкм невозможно из-за электрических и температурных ограничений.
2. Фабрики Intel, работающие по технологии 0,35 мкм уже обеспечивают выпуск Pentium с минимальной частотой 166 МГц с процентом выхода не менее 80% (себестоимость производства одной и той же модели снижается с переходом на более современную технологию).
Из этого можно сделать такие выводы:
1. Себестоимость производства процессоров напрямую связана с процентом выхода годных изделий, который является строжайшим секретом любой компании). Она довольно быстро падает за время жизни технологической линии.
2. Розничная цена процессора определяется в первую очередь маркетинговыми моментами и довольно слабо связана со стоимостью его производства. Например, себестоимость Pentium II с частотой 233 и 300 МГц практически одинакова, но на рынке отличается существенно — 430 и 758 долл. Другой пример — AMD не вышла на уровень рентабельности производства своих процессоров K6, но в целях конкурентной борьбы вынуждена продавать их дешевле, чем аналогичные по мощности процессоры Intel.