世界上只有几家公司设计使用尖端技术的处理器，制造这些芯片的设备更少。英特尔制造自己的芯片，台湾省TSMC和GlobalFoundries纯粹是为其他公司代工，三星在这两家公司都略有涉足。竞争很激烈。晶圆厂的成本高达数十亿美元。开发新工艺并投入大规模生产需要几年时间。这些芯片制造商通常都很谨慎，所以当GlobalFoundries最近邀请一些媒体记者参观他们在纽约北部的晶圆厂时，这成为了一个难得的机会来看看领先的晶圆厂现在在做什么。
如此先进的大型工厂坐落在纽约马耳他奥尔巴尼以北的一个小镇的树林里，多少有些新奇。但这不是一条容易的路。GlobalFoundries是由芯片制造商AMD在2009年剥离其制造业务时成立的，当时他们在一个250英亩的场地上破土动工，GE科学家在冷战期间在这里测试火箭。国家向GlobalFoundries提供了12亿美元的奖励。作为交换，GlobalFoundries同意投资32亿美元建造一座拥有1200名员工的工厂，总薪资约为7200万美元。
当时，GlobalFoundries计划在2011年之前开始生产32纳米工艺，每月生产6万片晶圆，并在其上进行额外的扩建。但是32纳米和28纳米节点的制造产量非常低——这需要新的材料——其关键客户AMD正在努力跟上英特尔的发展。20nm节点对于整个行业来说是一个颠覆，因为所谓的平面晶体管架构已经失去了威力。GlobalFoundries突然面临开发全新架构的问题，同时又不得不加快晶圆厂的生产速度。
“马耳他工厂正在艰难发展，因为我们一直在努力升级晶圆厂，同时开发新的工艺，”GlobalFoundries首席技术官加里·巴顿(Gary Patton)说。“这不是成功的秘诀。”
相反，GlobalFoundries授权三星的14 nm FinFET技术加快了上市时间。与此同时，AMD重新调整了产品阵容以提高竞争力，现在GlobalFoundries正在全面推出所有锐龙处理器、Epyc服务器芯片和镭龙Vega图形处理器。此外，GlobalFoundries还为主流游戏平台生产AMD半定制处理器，以及IBM的14nm Power9服务器和z14大型机芯片。十年后，马耳他的工厂显然已经迈出了一大步。GlobalFoundries高级副总裁兼总经理汤姆·考尔菲尔德(Tom Caulfield)表示，GlobalFoundries现在拥有120亿美元的“地面”资产，拥有3300名员工，薪酬总额约为3.45亿美元。
作为一名半导体分析师，我对先进芯片制造的规模和复杂程度有一定的了解，但亲眼所见又是另一回事。马耳他的工厂很大，原来的厂房一直在扩建，二楼的洁净室现在占地30万平方英尺。GlobalFoundries在隔壁建了第二个工厂，由“洁净桥”连接，使得连续洁净面积达到46万平方英尺，相当于8个足球场。在这么大的空房间里，空气体每小时可以循环10到15次，因为即使是最小的颗粒造成的污染也会损坏价值数十万美元的晶圆。
一般来说，洁净室包含1400个位于RMF上的工具，这些工具允许气流去除微小颗粒，控制静电放电，并通向较低的亚洁净区。这些工具按化学机械抛光、沉积、扩散退火、蚀刻和最终光刻进行分类。在整个过程中，将使用用于测量芯片功能的测量工具。RMF建在像乐高一样的大型混凝土块制成的地板上，这可以抑制甚至最小的振动。它周围是厚厚的混凝土走道，允许工人在洁净室周围移动，并在安装过程中支撑重型工具。一些对振动不敏感的台阶位于侧面。
另一个让笔者惊喜的是工厂的自动化水平。工厂的天花板覆盖着14英里长的轨道，多达550辆手推车在晶片盒周围移动，从一个工具装载到另一个工具。这个名为FOUP的盒子可以容纳25片晶片，每片直径约1英尺。一些FOUP还提供光掩模或掩模版，用于将图形投影到晶片上并在光刻工具之间移动——Global Foundries表示，目前世界上没有其他晶片厂能够做到这一点。复杂的排列全部由软件管理，FOUP通常保存在高架的组装区，而不是集中的“存储区”，以便在下面的工具空空闲时加载。
设备工程师斯蒂芬·米勒(Stephen Miller)解释说，“这就像你在往炉子里铲尽可能多的煤，以保持发动机运转。”
这并不是说洁净室里没有人。几个员工经常走来走去。GlobalFoundries的员工穿着类似白兔的制服，外部供应商穿着灰色制服以示区分——但他们实际上并不操作这些工具。相反，他们必须安装或维护工具，监控处理步骤或解决问题。
大多数人只关注洁净室，但正如设备高级总监约翰·佩因特(John Painter)所说，这个fab就像一座冰山，冰山下有很多很多东西保证这些工具一直运行。每1平方英尺的洁净室空，就有6平方英尺空的一层洁净室和周围的中央公用建筑，为工厂提供80兆瓦的电力、化学品、气体和超纯水。水通过几英里长的管道输送。
但这次访问最有趣的部分是看到生产环境中的下一代光刻工具。光刻被视为最关键的一步，因为它决定了芯片的最低特征——这一指标让摩尔定律持续了50年。今天，GlobalFoundries像其他领先的芯片制造商一样，依赖于使用波长为193纳米的深紫外光工具来创建最关键的层。
浸没式光刻技术的引入——用折射率更高的水代替透镜和晶片之间的空气间隙——有助于扩展193纳米工具，但这些工具已经达到了最基本的限制。为了构建最小的层，芯片制造商现在需要采取多个步骤，这是一个被称为多次构图的复杂过程，不仅会降低生产率，还会增加可变性，导致产量降低。
该解决方案是一种新的光刻技术，使用波长为13.5纳米的极紫外光。波长越小，特征越精细。这听起来简单，但事实证明非常复杂，因为EUV光很难产生；几乎任何物质，包括空气体，都可以被完全吸收，也就是说要真正空使用；并且不能用镜头或者传统的镜子聚焦。自20世纪90年代末以来，世界上唯一的EUV工具供应商荷兰ASML公司一直致力于这项工作，现在它刚刚开始商业化生产。
在主洁净室后面的第2阶段，GlobalFoundries安装了一个EUV工具，第二个工具正在开发中，还有两个其他工具。每个工具的大小和一辆公交车一样，造价约1.3亿美元。为了让这些工具进入Fab 8，GlobalFoundries不得不在建筑的侧面挖一个洞，然后在天花板上安装一个10吨重的起重机将它们吊到位，同时保持洁净室环境和气闸。
更具挑战性的是，EUV需要一个强大的激光系统来在超净室内产生紫外线辐射。27千瓦的二氧化碳激光器通过光束将两组脉冲传输到上面的洁净室，在那里它们被导入等离子体容器并撞击微小的锡滴。预脉冲使锡滴变平，主脉冲蒸发它们，导致激光发射EUV光子产生等离子体。这些辐射被一个特殊的镜子收集，镜子将辐射引导到扫描仪中，在扫描仪中，辐射被掩模反射到硅晶片上。该系统非常复杂，承包商Total Facility Solutions花了几个月的时间在现场使用3D激光扫描仪和BIM工作站来绘制每个组件的准确位置。
经过多年的反复试验，EUV已经准备好大规模生产了。“我们正处于关键时刻，我们将全力以赴。我非常有信心EUV将成为7纳米的一部分，但它还没有准备好，”考尔菲尔德说。
GlobalFoundries计划在下个季度开始7纳米的“冒险生产”，而不是EUV，依靠193纳米浸入式四极阵列。这种7LP工艺可以提高晶体管性能40%，降低成本30%。高性能版会提升10%的速度。但GlobalFoundries表示，将有7 nm版本的EUV用于触点和过孔，最后还有一些金属层，这将使关键层的数量减少20%，从而缩短周期时间和成本，并减少可变性。TSMC也在研究类似的策略，但三星选择等到EUV准备好推出7 nm。英特尔的计划尚不明朗。
在过去的一年中，GlobalFoundries取得了长足的进步，但它需要在两个领域不断取得进展，才能与这些竞争对手竞争。
首先，它需要使其客户基础多样化。global foundries 2010年收购新加坡的Chartered，2015年收购IBM微电子，都可以在一定程度上有所帮助。GlobalFoundries现在有五个晶圆厂，第六个晶圆厂正在中国成都建设中。所有这些晶圆厂每月可为约250家客户生产超过800，000片晶圆。但它需要更多的业务才能在前沿领域超越AMD和IBM。
GlobalFoundries表示，GlobalFoundries在14nm工艺上有82项设计，并发布了FX-14 ASIC工艺，将争夺不断增长的AI加速器业务。尽管GlobalFoundries在高端移动SoC方面运气不佳，但它也一直在推广用另一种晶圆基板生产的替代品，即FD-SOI，这种基板非常适合低成本的移动应用，如中端手机、可穿戴设备或物联网设备。
其次，GlobalFoundries需要很好地执行其技术路线图。GlobalFoundries刚刚开始为AMD量产12nm晶圆，但真正测试的是7nm，由大约400名工程师组成的团队开发。
目前，该路线图将于2020年结束，但巴顿表示，RD团队有许多好想法。GlobalFoundries拥有大约700名技术专家，他们通过与IBM和三星的奥尔巴尼纳米技术联盟、设备和材料供应商以及SUNY理工学院的合作，专注于Fab 8特定领域的未来解决方案。未来有许多选择，包括新材料，如III-V化合物，或全栅结构，如垂直纳米线或水平纳米板。去年，奥尔巴尼纳米技术联盟(Albany NanoTech Alliance)宣布，它已经开发出第一批使用EUV制造纳米薄膜的5纳米芯片，有朝一日，这种芯片可能会使处理器拥有多达300亿个晶体管。
这些都是艰巨的挑战。然而，近距离看到这样的进步，不仅让人们钦佩这个行业克服的诸多挑战，也让他们更加确信，他们将继续寻找创新的方法，以实现更小、更快、更高效的目标。
