Cách xây dựng nhà máy bán dẫn trị giá 20 tỷ đô la
Thách thức và chi phí của quy trình sản xuất chip
- Sản xuất bán dẫn khó hơn rất nhiều so với sản xuất công nghiệp thông thường vì quy trình phức tạp và yêu cầu sai số cho phép cực kỳ nghiêm ngặt.
- Kích thước transistor trong chip bán dẫn hiện đại ở mức nanomet, đòi hỏi độ chính xác cao hơn sản xuất thông thường tới hàng trăm nghìn lần.
- Chỉ một hạt bụi hoặc chệch vị trí vài nguyên tử cũng có thể làm hỏng toàn bộ chip.
- Sự chênh lệch nhỏ trong nồng độ tạp chất hoặc tốc độ quy trình cũng không được phép.
- Lịch sử sản xuất bán dẫn là hành trình chống chọi với các hiệu ứng vi mô và tác động thảm họa mà chúng gây ra.
- Khi kích thước thiết bị bán dẫn thu nhỏ, vấn đề càng trở nên khó khăn hơn.
- Nhà máy bán dẫn hiện đại phải tạo ra một thế giới có độ chính xác và khả năng dự đoán cực cao.
- Cần chặn mọi hiệu ứng có thể gây cản trở quy trình và tìm ra, loại bỏ các sai lệch rất nhỏ.
- Tất cả phải được duy trì trong môi trường sản xuất hàng loạt hàng trăm nghìn tấm wafer mỗi năm, hàng trăm triệu chip (mỗi chip có hàng tỷ transistor).
Cấu trúc nhà máy bán dẫn (Fab)
- Nhà máy bán dẫn hiện đại thường gồm 4 tầng.
- Điểm cốt lõi là tầng cleanroom nơi diễn ra quy trình sản xuất.
- Dưới cleanroom là lớp subfab (thường là 2 tầng) chứa thiết bị hỗ trợ và hệ thống ống dẫn, đường dây cho các công việc trong cleanroom.
- Phía trên cleanroom là không gian có quạt và bộ lọc dùng để lọc không khí và tuần hoàn.
- Trong cleanroom bố trí các thiết bị quy trình riêng lẻ như quang khắc, CVD và máy ion implantation (được gọi là process tool).
- Nhà máy bán dẫn logic hiện đại cần hơn 1.000 thiết bị quy trình để sản xuất 40.000 đến 50.000 wafer mỗi tháng.
- Khi chuyển sang wafer 300 mm, việc sử dụng AMHS (hệ thống vận chuyển tự động) trở thành bắt buộc.
- Cleanroom được thiết kế tối thiểu hóa ô nhiễm; các nhà máy bán dẫn duy trì mức sạch Class 10/100.
- Thiết kế cho không khí đi xuống qua các bộ lọc HEPA/ULPA trên sàn rồi quay vòng trở lại.
- Duy trì áp suất dương trong cleanroom để ngăn không khí ngoài xâm nhập.
- Nhà máy hiện đại áp dụng chiến lược micro-environment: vận chuyển wafer trong FOUP kín và đóng kín bản thân thiết bị quy trình.
- Được thiết kế để chặn mọi tác động nhiễu như rung, ánh sáng, tĩnh điện và sóng điện từ.
- Trong subfab bố trí thiết bị hỗ trợ quy trình như laser, bơm chân không.
- Cần có hệ thống và ống dẫn chuyên dụng cho việc xử lý hóa chất độc hại và xử lý chất thải.
- Ngoài nhà máy còn cần cơ sở hỗ trợ như thiết bị tách oxy/đi-ô và hệ thống sản xuất nước siêu tinh khiết.
- Nhà máy bán dẫn lớn tiêu thụ điện tương đương một nhà máy điện hạt nhân, khoảng 100 MW.
Xây dựng nhà máy bán dẫn
- Cần cleanroom hàng trăm nghìn feet vuông và khu đất rộng hàng trăm mẫu Anh.
- Cần sử dụng hàng chục nghìn tấn thép kết cấu và bơm vào nhà máy hàng trăm nghìn yard khối bê tông.
- Intel đã dùng lượng bê tông gấp 2 lần tháp Burj Khalifa và lượng thép gấp 5 lần tháp Eiffel cho nhà máy mới.
- Để đảm bảo độ chính xác cần hàng nghìn nhân sự chuyên môn. Dự kiến nhà máy mới của Intel huy động tối đa 9.300 người, còn TSMC là 12.000.
- Sau giai đoạn blow down, cần 6 tháng đến 1 năm để thiết lập thiết bị.
- Việc xây dựng nhà máy thường mất 2 đến 4 năm; tại Mỹ, thời gian kéo dài hơn và chi phí cao hơn châu Á 30 đến 400%.
Chi phí xây dựng nhà máy bán dẫn
- 70% đến 80% chi phí xây dựng được dùng để mua thiết bị quy trình.
- Chi phí máy móc và điện chiếm hơn 2/3 tổng chi phí xây dựng; trong khi nhà ở chỉ dưới 20%.
- Trong chi phí thiết bị, nhóm lớn nhất là thiết bị quang khắc; mức khoảng 20% tổng chi phí xây dựng, ngang ngửa chi phí tòa nhà nhà máy.
- Chi phí xây dựng tăng khoảng 30% mỗi khi chuyển sang nút quy trình mới.
- Nguyên nhân chủ yếu là giá thiết bị tăng do transistor nhỏ hơn và số lượng mask/quy trình tăng.
- Nhu cầu thiết bị tự động hóa do tăng kích thước wafer lên 300 mm cũng là một trong các nguyên nhân.
- Khi chi phí xây dựng tăng, số lượng IDM sở hữu nhà máy trực tiếp giảm, và mô hình foundry tách thiết kế khỏi sản xuất ngày càng lan rộng.
Nhận xét của GN+
- Sản xuất bán dẫn có thể được xem là kỹ thuật cực hạn đòi hỏi độ chính xác cấp nguyên tử; bài viết giúp cảm nhận rõ sự phức tạp và tinh vi của chip nuôi dưỡng nền văn minh hiện đại.
- Có nhiều thông tin đáng tham khảo để đọc xu hướng ngành bán dẫn, từ chuyển dịch từ IDM sang foundry đến việc bỏ dở chuyển sang wafer 450 mm.
- Bài viết giải thích rất cụ thể lý do chi phí xây dựng nhà máy cao ngất ngưởng và chi phí cụ thể nào chiếm bao nhiêu.
- Xét theo độ phức tạp của quy trình, thời gian xây dựng 2 đến 4 năm thực ra là nhanh; tuy nhiên điểm khác biệt là ở Mỹ thời gian dài hơn rất nhiều so với Hàn Quốc hay Đài Loan.
- Từ thực tế nhà cung cấp cốt lõi thiết bị quy trình siêu đắt như ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron chỉ tập trung ở vài tên tuổi, có thể đọc ra cấu trúc thị trường tập trung của ngành thiết bị bán dẫn.
- Tò mò không biết nếu ngành quy trình tinh vi như bán dẫn đi theo hướng tự động hóa, không người trực tiếp vận hành thì sao. Vì tỷ trọng chi phí nhân công thấp, lợi thế của tự động hóa có vẻ không lớn.
1 bình luận
Ý kiến Hacker News
Nhờ Đạo luật CHIPS and Science Act, TSMC và Intel đang xây dựng nhà máy bán dẫn mới ở Phoenix, Arizona, vì đây là bước cần thiết cả về kinh tế lẫn an ninh quốc gia.
Việc đi vào sản xuất sẽ mất vài năm nữa, nhưng tác động của CHIPS Act lên đời sống con người đã thấy rõ ngay từ giai đoạn xây dựng hiện tại, đào tạo nhân lực cho tương lai và hệ sinh thái các công ty hỗ trợ.
Trong cuộc phỏng vấn lời kể lịch sử của Morris Chang, người sáng lập TSMC:
Khi chơi Angry Birds trên iPhone rất dễ quên rằng đằng sau công nghệ hiện đại là vô vàn công trình nghiên cứu, nguồn lực và chuyên môn.
Nếu muốn biết thêm về lịch sử ngành bán dẫn và bài toán nan giải hiện tại, nên đọc cuốn Chip Wars của Chris Miller.
Có một video thú vị về một học sinh trung học đã tự xây nhà máy bán dẫn của riêng mình tại gara nhà bố mẹ với kinh phí “ngân sách thấp”. Mình muốn thấy họ làm CPU 6502 tại nhà, nhưng tiếc là không đi xa hơn.
Apple, Nvidia… đã chuyển sang mô hình “fabless”, tức thiết kế chip rồi ủy quyền sản xuất cho các “foundry” như TSMC. Việc gom đơn hàng của nhiều công ty chip giúp đạt quy mô kinh tế cần thiết cho dây chuyền công nghệ hàng đầu.
Về dài hạn, huấn luyện AI cũng có thể theo mô hình tương tự.
Sai số của quy trình chế tạo thông thường tối thiểu chênh lệch khoảng 10 lần. Nói rằng độ dung sai gia công CNC là 0.125mm là không hợp lý.
Theo "luật Moore thứ hai" (luật Rock), chi phí một nhà máy bán dẫn tăng gấp đôi sau mỗi 4 năm. Sau 30 năm, một nhà máy đơn lẻ sẽ vượt quá 3 nghìn tỷ USD, cho thấy có một trần cải tiến công nghệ do cân nhắc kinh tế.
Gom 20 tỷ USD để xây một nhà máy bán dẫn giống như meme vẽ cú vậy.
Mình biết nhà máy bán dẫn phức tạp đến mức nào, nhưng bài viết này vẫn rất gây choáng.
Khi ghé thăm công trường quy mô 40 triệu USD, chỉ cần nhìn công nhân, thiết bị và vật liệu di chuyển liên tục đã thấy đó là 40 triệu USD đang ở đó, đang chuyển động.