价值 70 亿美元的英特尔晶圆厂，内部长啥样？
来源：CNET、半导体材料与工艺设备
当您走在英特尔芯片工厂内的笨重机器中时，您会同时感到矮小和巨大。
之所以显得矮小，是因为这些被称为晶圆厂的工厂占地几十英亩，规模庞大。之所以巨大，是因为它们制造的处理器通常比你的小拇指指甲还小——它们上面的晶体管非常小，数千个晶体管可以在一根头发的宽度上并排放置。
晶圆厂是自动化制造的顶峰，是首席执行官帕特·盖辛格 (Pat Gelsinger) 重新夺回英特尔芯片制造领导地位计划的核心，也是美国芯片行业和政治盟友从中国和其他亚洲国家手中夺回高科技制造业的核心。
但他们到底是什么样子的呢？真的有穿着兔子装和机械臂的人，甩着像价值1万美元的飞盘一样的彩虹色圆盘吗?今年秋天，我参观了位于凤凰城郊区 700 英亩土地上的两家英特尔晶圆厂，以了解CNET 对美国制造业的看法。
我了解到它们高度自动化，极其昂贵，并且是该州灰尘最少的地方。
参观英特尔Fab 42
从外面看，晶圆厂就像其他巨大的工业建筑，周围环绕着巨大的管道、停车场和水净化系统。但是路标是关于正在发生的事情的绝对赠品：Wafer Way，Angstrom Avenue，Cleanroom Corner，Transistor Terrace，Processor Parkway，Silicon Street。Tick-Tock Trail 稍微降低了乐趣——它以英特尔实现稳定芯片进步的旧方法命名。但是，正如我在相关专题中所解释的那样，当英特尔几年前惨败时，竞争对手台积电 (TSMC) 和三星得以领先。
英特尔的 Fab 42在 2011 年开始建设时耗资 70 亿美元，它与早期的 12、22 和 32 号晶圆厂相连。现在这些设施的成本为 100 亿美元，不过英特尔希望美国在可能的立法中提供补贴将使价格降低约 30 亿美元。
位于亚利桑那州钱德勒的英特尔 Fab 42
Fab 42 的英特尔路牌
英特尔 Fab 42 的天花板安装芯片运输
Fab 42 基础设施
晶圆厂配备了庞大的支持设备结构，以处理诸如供电、净化水和冷却空气之类的事情。运行一个晶圆厂需要数百万加仑的纯水。Ocotillo 园区每天可以处理超过 900 万加仑的水，英特尔正在努力改进，以便到 2030 年它返回到亚利桑那州南部干涸流域的水量超过其使用量。
Intel Fab 42蚀刻设备
芯片厂101
晶圆厂的工作是摄取称为晶圆的无瑕硅晶体的圆形切片，经过 500 个左右的持续三个月或更长时间的处理步骤后，吐出成品微处理器。每个芯片都有数十亿个称为晶体管的电子通断开关，它们每秒钟随着芯片时钟的节拍跳动数十亿次，处理数据，这样你就可以给爸爸发短信或查看谁在按你的智能门铃。
晶圆厂的标志之一是它们是干净的。真的很干净。任何一粒灰尘或干燥的棉绒都会毁掉一个可以卖到数百美元的芯片。芯片制造操作将晶圆与外界隔离开来，整个晶圆厂都处于正气压下，以防止污染物进入。
为了从一台机器转移到另一台机器，称为 FOUP 的塑料模块——前开式统一吊舱——沿着天花板安装的轨道在晶圆厂周围搅拌成堆的晶圆。这一切都由一个中央计算机系统管理，该系统知道哪些晶圆用于制造和测试。黑色 FOUP 从头顶呼啸而过，然后落在电缆上，通过每台晶圆厂机器上的舱口排出或收集晶圆。
英特尔芯片 FOUP
位于亚利桑那州钱德勒的这片空地是英特尔开始建造 Fab 52 和 Fab 62 的地方，这两个芯片工厂每家耗资 100 亿美元，预计将于 2024 年上线。在今天的 12,000 个基础上，新的晶圆厂将增加约 3,000 个工作岗位用于英特尔在亚利桑那州的业务。
它使我几年前在德国沃尔夫斯堡大众汽车工厂看到的数百个机器人看起来像笨拙、蹒跚的巨人。另一方面，我可以看到正在制造的汽车。大多数情况下，晶圆被隐藏起来，主要暴露在昂贵的测量设备中，以扫描缺陷。
“肮脏”的人类
需要更多的预防措施来预防人类，因为我们脱落的头发和粗糙的死皮细胞。人们必须将自己几乎完全密封在英特尔于 1973 年开创的有时称为兔子套装的服装中。在使用新的英特尔 7 制造工艺制造芯片的 Fab 42 中，我不得不戴两副手套——外层只戴了很长时间足以穿好衣服，然后被丢弃，因为它碰到了我的普通衣服。
在进入晶圆厂之前，我也不得不擦拭我的相机设备，并使用一个特殊的乳胶洁净室笔记本，它的脱落比低过敏性拉布拉多犬还少。
尽管您可能从英特尔 1997 年的超级Bowl 广告中学到了什么，但除非您喜欢皱巴巴的纸袋外观，否则兔子套装并不讨人喜欢。特殊的靴子会让你带电着陆——当你进入时通过测试验证——所以你不会用你的静电荷电击任何东西。
发套、胡须套和 COVID-19 面具完成了我的转变，变成了几乎完全匿名的两足动物，只能通过我的颜色编码徽章识别。不过，很多人已经习惯了：英特尔在亚利桑那州有 12,000 名员工，在俄勒冈州的工厂有 21,000 名员工。
1.5 亿美元的机器
晶圆厂中有许多芯片制造机器，但最负盛名的是涉及光刻工艺——字面意思是，用光在石头上书写。芯片是通过将紫外线照射到精心设计的掩模中来制造的，该掩模可以选择性地阻挡光线。晶片预先涂有一种称为光刻胶的光敏材料，在光线照射的地方发生化学变化。
光刻是一项棘手的业务，因为芯片上的特征已经缩小得如此之小，而且每隔几年就会继续缩小一点。一种称为多重图案化的过程让芯片设计人员可以使用多个照明步骤，每个步骤都有自己的掩模，以创建一组比光波长允许的更精细的结构。它是如此敏感，以至于晶圆厂建在地质稳定的土地上，而设备则靠在隔振支架上。
来自市场领导者 ASML 的最新光刻机每台成本约为 1.5 亿美元，并用激光喷射微小的锡滴以产生超短波长的超高频光。英特尔才刚刚开始使用这种极紫外光刻工艺，落后于台积电和三星，但它是 Gelsinger 复出计划的支柱之一。
这种设备不断上涨的费用是摩尔第二定律的一个原因，即新晶圆厂的价格每四年翻一番。英特尔的复苏计划包括耗资 200 亿美元在目前正在建设的亚利桑那州新晶圆厂，以及数十亿美元用于升级新墨西哥、爱尔兰和以色列的晶圆厂，以及耗资 2000 亿美元在美国和欧洲建立两个全新的“大型晶圆厂”工厂。
图案化后，晶圆被传送到另一台对晶圆进行化学处理的机器。被照亮的光刻胶区域会被洗掉，暴露下面的材料，然后通过另一种称为蚀刻的化学过程将其去除。然后用另一个化学过程去除剩余的保护性光刻胶，对另一组结构重复整个循环。
晶圆厂一年 365 天、一天 24 小时都在运行。即便如此，将原始晶圆变成镶嵌着数十、数百甚至数千个矩形芯片的成品也需要大约三个月的时间。
封装芯片
我参观的第二家工厂 CH4 专门从事接下来的工作，即包装。在过去，这只是意味着将芯片连接到电路板外壳并确保它受到保护。现在，它通常意味着将多个“小芯片”连接到一个更大的处理器中。
用于芯片封装的英特尔 CH-4 晶圆厂
在英特尔的 CH4 中，这种不同类型的晶圆厂工作正在进行中。它没有光刻那么迷人：“我们是廉价人。我们穿牛仔裤和 T 恤，”领导英特尔封装开发工作的 Babak Sabi 说。
但它越来越重要。封装技术越来越先进，可实现多个小芯片之间的超快速通信链接，现在让芯片制造商可以将它们以节省空间的高带宽 3D 排列方式堆叠在一起。它允许设计人员通过将快速、昂贵的小芯片与不需要尖端性能的更慢、更便宜的小芯片相结合来组装处理器。
英特尔的 Ponte Vecchio 处理器是一个封装杰作，它结合了 47 个独立的有源硅元件，水平连接和垂直堆叠。该视图仅显示了 10 亿晶体管处理器中的一半。
图源：斯蒂芬·尚克兰/ CNET
一架英特尔飞机从 CH4 每天两次将俄勒冈州制造的小芯片运送到亚利桑那州。它们以线轴的形式到达，每个小芯片都密封在塑料套管中。每隔几秒钟，一个机械臂就会取出一个新芯片，然后小心地将它放在一个芯片上，该芯片仍然是晶圆上的同类芯片。其他键合技术将单个芯片放在彼此的顶部，甚至连接整个晶片。
我看到的 Sapphire Lake 服务器芯片将于 2022 年发货，四个小芯片并排连接在一个封装内。展出的还有 2023 Meteor Lake PC 芯片的测试版本，该芯片缺乏真正的处理电路，但可用于测试 3D 堆叠技术。
附近是巨大的 Ponte Vecchio 处理器，将 47 个有源硅元件组合成一个巨大的计算设备。这些是阿贡国家实验室 Aurora的大脑，预计它在 2022 年启动时将成为世界上最快的超级计算机。
看到这些超复杂的计算能力从头顶飞过，然后进入包装机，真是令人着迷。但几个小时后，我脱下我的兔子服，把手套扔进垃圾桶，然后回到亚利桑那温暖的空气中。
英特尔正在努力恢复其作为芯片行业领头羊的地位。然而，即使排在第三位，它的晶圆厂也在嗡嗡作响。
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