Paano Ginagawa ang Computer Chips? Kumpletong Gabay sa Proseso ng Disenyo at Pagmamanupaktura sa North America

Ang Pundasyon ng Modernong Mundo: Ang Integrated Circuit

Ang integrated circuit (IC) o computer chip ay ang puso at utak ng halos lahat ng elektronikong aparato sa ating mundo. Mula sa smartphone gaya ng iPhone at Samsung Galaxy, hanggang sa mga supercomputer sa Lawrence Livermore National Laboratory, ang mga ito ay pinapagana ng milyun-milyong hanggang bilyun-bilyong mikroskopikong transistor sa isang maliit na piraso ng silicon. Ang proseso ng paglikha nito ay isa sa pinakamahusay at kumplikadong gawain ng sangkatauhan, na pinangungunahan ng mga kompanya at institusyon sa North America. Ang artikulong ito ay maglalahad ng kumpletong paglalakbay ng isang chip, mula sa konsepto hanggang sa pisikal na produkto, na nakasentro sa papel ng United States at Canada.

Unang Yugto: Ang Masalimuot na Sining ng Disenyo

Bago magsimula ang anumang pagmamanupaktura, kailangan munang idisenyo ang chip sa isip at sa digital na mundo. Ang yugtong ito ay nangyayari halos buo sa mga tanggapan at research and development (R&D) sentro sa North America.

Pagtukoy ng Sistema at Arkitektura

Ang disenyo ay nagsisimula sa mga system architect sa mga kompanyang gaya ng Intel sa Santa Clara, California, AMD sa Santa Clara, Apple sa Cupertino, California, at Nvidia sa Santa Clara. Sila ang nagdedesisyon kung ano ang magagawa ng chip: para ba ito sa isang high-performance CPU tulad ng Intel Core i9, isang GPU para sa gaming tulad ng Nvidia GeForce RTX series, o isang specialized AI processor? Kasama rito ang pagpaplano ng instruction set architecture (ISA) gaya ng x86-64 o ARM, at ang pangkalahatang layout ng mga core at cache memory.

Disenyong Lohikal at Pisikal

Gamit ang mga advanced na software tool mula sa mga kompanyang Synopsys sa Mountain View, California, Cadence Design Systems sa San Jose, California, at Siemens EDA, isinusulat ng mga design engineer ang Register-Transfer Level (RTL) code sa mga wika gaya ng Verilog o VHDL. Ang code na ito ay isinasalin sa isang schematic diagram ng milyun-milyong lohikal na gate. Pagkatapos, sa physical design phase, inaayos at ikinakabit ang bawat transistor, wire, at component sa aktwal na layout ng chip, isang prosesong tinatawag na place-and-route.

Verification at Emulation

Bago magpatuloy, dapat masigurong walang error ang disenyo. Ginagamit ang malakas na server farms na pinapagana ng mga chip mula sa AMD EPYC o Intel Xeon para sa simulation. Ang mga kompanyang gaya ng Mentor Graphics (ngayon ay bahagi ng Siemens) ay nagbibigay ng mga tool para dito. Para sa mas kumplikadong chip, ginagamit ang mga specialized na emulation system mula sa Synopsys o Cadence na nagmumukhang aktwal na hardware upang patakbuhin ang buong operating system tulad ng Microsoft Windows o Linux bago pa man magawa ang unang prototype.

Ang Pagbuo ng Blueprint: Photomasks at Pre-Production

Kapag perpekto na ang digital na disenyo, ihinahanda ito para sa pagmamanupaktura. Ang layout ay ipiniprint sa isang serye ng mga photomask o reticle—mga template ng quartz na may chromium coating na naglalaman ng mga pattern para sa bawat layer ng chip. Ang paggawa ng photomask ay isang eksaktong agham na ginagawa ng mga kompanyang gaya ng Photronics at Toppan Photomasks. Ang tapos na disenyo ay ipinapadala sa isang foundry o fab plant para sa aktwal na paggawa.

Ang Episentro ng Paggawa: Ang Semiconductor Fab

Ang pagmamanupaktura ng chip ay nangyayari sa isang semiconductor fabrication plant (fab), isa sa pinakamalinis na lugar sa mundo—mas malinis kaysa sa isang operating room sa ospital. Ang mga pangunahing North American fabs at R&D centers ay matatagpuan sa Silicon Valley, Portland, Oregon (ang Silicon Forest), Phoenix, Arizona, at Albany, New York (para sa advanced na R&D). Ang Intel ay may malalaking pasilidad sa Hillsboro, Oregon (Ronler Acres) at Chandler, Arizona. Ang GlobalFoundries ay may fab sa Malta, New York. Sa Canada, ang CMC Microsystems sa Kingston, Ontario ay isang mahalagang sentro para sa akademikong R&D.

Ang Yugto ng Wafer Fabrication: Mula sa Buhangin Hanggang sa Wafer

Ang hilaw na materyal ay silicon, na nagmumula sa silica sand. Ang purong silicon ay hinuhubog sa mga cylindrical ingot at pagkatapos ay hiniwa sa mga manipis, pabilog na disk na tinatawag na wafers. Ang mga kompanyang gaya ng Shin-Etsu Chemical ng Japan at GlobalWafers ng Taiwan ay pangunahing supplier, ngunit may mga pagsisikap sa North America, tulad ng sa MEMC sa St. Peters, Missouri, upang palakasin ang lokal na suplay.

Pangunahing Proseso: Photolithography at Etching

Ito ang core ng paggawa ng chip. Ang wafer ay nilalagyan ng isang light-sensitive material na tinatawag na photoresist. Pagkatapos, gamit ang isang photolithography scanner mula sa ASML ng Netherlands (isang mahalagang kagamitan na ginagamit sa lahat ng pangunahing fabs), ang pattern mula sa photomask ay ipinapakita sa wafer gamit ang extreme ultraviolet (EUV) light. Ang mga bahaging na-expose sa liwanag ay natutunaw, na nag-iiwan ng pattern. Pagkatapos, sa prosesong tinatawag na etching, ang mga bahagi ng silicon na walang proteksyon ay inaalis gamit ang mga kemikal o plasma. Ang paulit-ulit na cycle ng deposition, lithography, at etching—hanggang sa daan-daang beses—ang bumubuo sa kumplikadong 3D structure ng transistor.

Iba Pang Mahahalagang Proseso

• Ion Implantation: Ang mga atomo ng impurities gaya ng phosphorus o boron ay pinapasok sa silicon upang baguhin ang electrical properties nito at lumikha ng mga semiconductor region.
• Chemical Mechanical Planarization (CMP): Ang wafer ay pinapakinis upang alisin ang labis na materyal at panatilihing flat ang surface para sa susunod na layer.
• Metallization: Paglalagay ng mga ultra-thin na wire, kadalasang gawa sa copper o cobalt, upang ikonekta ang bilyun-bilyong transistor.

Ang Hamon at Teknolohiya ng Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography

Habang lumiliit ang mga transistor, kailangan ng mas maiiksing wavelength ng liwanag para i-print ang mga ito. Ang EUV lithography, na binuo ng ASML na may malaking kontribusyon mula sa Intel, Samsung, at TSMC, ay ang pinakabagong rebolusyon. Ang mga EUV machine, na may halagang higit $150 milyon bawat isa, ay gumagamit ng liwanag na 13.5 nanometers ang haba, na nilikha sa pamamagitan ng pagpapaputok ng tin droplets ng isang laser sa isang vacuum chamber. Ang teknolohiyang ito ay mahalaga para sa mga node gaya ng 7nm, 5nm, at 3nm na ginagawa ngayon ng TSMC sa Taiwan at Samsung sa South Korea, at isinasama na sa mga plano ng Intel sa kanilang IDM 2.0 strategy.

Pagsubok, Pag-assemble, at Pagpapadala

Pagkatapos ng fabrication, ang bawat indibidwal na die (ang isang chip sa wafer) ay sinusubukan gamit ang mga automated na probe. Ang mga may depekto ay minamarkahan. Pagkatapos, ang wafer ay hiniwa gamit ang isang diamond saw. Ang mga magandang die ay inilalagay sa isang package na gawa sa substrate (parang maliit na circuit board) na nagbibigay ng mekanikal na proteksyon at electrical connection. Ang prosesong ito, na tinatawag na assembly and test, ay kadalasang ginagawa sa mga bansa gaya ng Malaysia, Vietnam, at Taiwan, ngunit may mga pasilidad din sa North America, tulad ng sa Intel sa Chandler, Arizona. Ang tapos na chip ay muling sinusubok bago ipadala sa mga customer gaya ng Dell sa Round Rock, Texas, HP sa Palo Alto, California, o Lenovo para gamitin sa kanilang mga produkto.

Mga Pangunahing Manlalaro at Inisyatiba sa North America

Ang industriya sa rehiyon ay pinangungunahan ng mga integrated device manufacturer (IDM) na gumagawa ng sarili nilang disenyo at may sariling fabs, at ng mga kompanyang pure-play na nagdidisenyo lamang (fabless).

Uri ng Kompanya	Pangalan ng Kompanya	Pangunahing Lokasyon (HQ/Fab)	Halimbawa ng Produkto
Integrated Device Manufacturer (IDM)	Intel Corporation	Santa Clara, CA; Hillsboro, OR; Chandler, AZ	Intel Core processors, Xeon server chips
IDM	Micron Technology	Boise, Idaho; Manassas, Virginia	DRAM at NAND flash memory
Fabless Design	Apple Inc.	Cupertino, California	A-series at M-series chips (gawa sa TSMC)
Fabless Design	Nvidia Corporation	Santa Clara, California	GeForce GPU, HPC/AI accelerators
Fabless Design	Qualcomm Incorporated	San Diego, California	Snapdragon mobile processors
Fabless Design	Advanced Micro Devices (AMD)	Santa Clara, California	Ryzen CPU, Radeon GPU
Fabless Design	Broadcom Inc.	San Jose, California	Networking at connectivity chips
Pure-Play Foundry	GlobalFoundries	Malta, New York (Fab 8)	Nagmamanupaktura ng chips para sa ibang kompanya
Research & Development Consortium	SEMATECH (at SUNY Poly CNSE)	Albany, New York	Pagsasaliksik sa next-gen semiconductor tech

CHIPS Act at ang Pagbabalik ng Pagmamanupaktura sa America

Matapos ang mga dekada ng paglipat ng advanced na pagmamanupaktura sa Taiwan (TSMC) at South Korea (Samsung), ang United States ay kumikilos upang ibalik ang kapasidad nito. Noong 2022, pinirmahan ni Pangulong Joe Biden ang CHIPS and Science Act, isang batas na naglalaan ng humigit-kumulang $52 bilyon upang suportahan ang domestic semiconductor research at pagmamanupaktura. Ang batas na ito ay humikayat ng malalaking pamumuhunan:

• Intel ay nagtatayo ng dalawang bagong advanced na fab sa New Albany, Ohio (ang Ohio One campus) at pinalalawak ang mga pasilidad nito sa Arizona at New Mexico.
• TSMC ay nagtatayo ng isang advanced na fab sa Phoenix, Arizona, na may plano para sa pangalawang, mas advanced na planta.
• Samsung ay pinalalawak ang malaking fab nito sa Taylor, Texas.
• Micron ay nag-anunsyo ng planong magtayo ng mega-fab para sa memory sa Clay, New York at Boise, Idaho.
• Sa Canada, ang pamahalaan ay namuhunan din sa sektor, at ang kompanyang Ranovus sa Ottawa ay gumagawa ng mga advanced na photonics chip.

Ang Hinaharap: Mga Hamon at Inobasyon

Ang industriya ay patuloy na sumusulong sa ilalim ng Moore’s Law. Ang mga susunod na henerasyon ng teknolohiya ay kinabibilangan ng:

• Gate-All-Around (GAA) Transistors: Susunod na arkitektura pagkatapos ng FinFET, ginagamit na ng Samsung at binalak ng Intel sa ilalim ng pangalang RibbonFET.
• Chiplet-based Design: Sa halip na isang malaking chip, ang maraming maliit na chip (chiplets) ay pinagsasama-sama, tulad ng ginagawa ng AMD sa Epyc at Ryzen processors. Ang standard na ito ay pinauunlad ng Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) consortium.
• Advanced Packaging: Mga teknolohiyang gaya ng Intel’s Foveros at EMIB na nag-uugnay ng mga chiplets nang mas mabilis at mahusay.
• Novel Materials: Paghahanap ng kapalit o karagdagan sa silicon, gaya ng gallium nitride (GaN) para sa power chips, o graphene sa hinaharap.
• Quantum Computing Chips: Ang mga kompanyang North American gaya ng IBM sa Yorktown Heights, New York, at Google sa Santa Barbara, California ay nangunguna sa pagsasaliksik ng quantum processors.

FAQ

Gaano katagal ang buong proseso ng paggawa ng isang bagong chip?

Mula sa simula ng disenyo hanggang sa paglabas ng produkto sa merkado, maaaring tumagal ito ng 2 hanggang 5 taon. Ang disenyo at verification ay maaaring abutin ng 18-30 buwan. Ang aktwal na pagmamanupaktura ng wafer (mula sa blankong silicon hanggang sa patterned wafer) ay tumatagal ng 12-15 linggo. Ang packaging at final test ay maaaring dagdag na 2-4 na linggo.

Bakit napakamahal ng mga pasilidad para gumawa ng semiconductor?

Ang isang state-of-the-art na fab ay nagkakahalaga ng higit sa $20 bilyon upang itayo. Ang gastos ay dahil sa sobrang komplikadong at dalisay na kapaligiran na kailangan (ultra-clean rooms), ang presyo ng mga espesyalisadong makina (ang isang EUV lithography machine ay nagkakahalaga ng >$150M), at ang napakataas na antas ng engineering at automation na kinakailangan upang manipulahin ang materyal sa antas ng atom.

Ano ang pinagkaiba ng Intel, TSMC, at AMD sa prosesong ito?

Ang Intel ay isang IDM; ito ay nagdidisenyo AT nagmamanupaktura ng sarili nitong mga chip sa sarili nitong mga fab. Ang TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) ay isang pure-play foundry; hindi ito nagdidisenyo ng sariling mga chip, sa halip ay nagmamanupaktura lamang ito ng mga chip para sa ibang kompanya gaya ng Apple, AMD, at Nvidia. Ang AMD ay isang fabless na kompanya; ito ay nagdidisenyo ng sarili nitong mga chip (CPU, GPU) ngunit ipinapagawa ang pagmamanupaktura nito sa mga foundry gaya ng TSMC.

Mayroon bang pagmamanupaktura ng semiconductor sa Canada?

Oo, ngunit sa mas maliit na sukat kumpara sa US. Ang Canada ay may malakas na puwersa sa disenyo (R&D) at sa specialized manufacturing. Bukod sa CMC Microsystems at Ranovus, ang Teledyne DALSA sa Waterloo, Ontario ay may fab para sa specialized micro-electro-mechanical systems (MEMS) at image sensors. Ang Intel at AMD ay may malalaking engineering at R&D site sa Toronto, Ontario at Markham, Ontario. Gayundin, ang kompanyang GaN Systems sa Ottawa ay nangunguna sa mga chip na gawa sa gallium nitride.

Ano ang ibig sabihin ng “7nm” o “5nm” na node?

Ito ay isang terminong pang-marketing at teknikal na tumutukoy sa isang henerasyon ng teknolohiya sa pagmamanupaktura ng semiconductor. Sa kasaysayan, tumutukoy ito sa aktwal na sukat ng isang tampok ng transistor (gaya ng gate length). Sa modernong panahon, ito ay mas isang label na nagpapahiwatig ng pagtaas ng density ng transistor at pagbuti ng performance/power efficiency kaysa sa isang eksaktong sukat. Ang isang “5nm” na node mula sa TSMC o Samsung ay naglalagay ng mas maraming transistor bawat square millimeter kaysa sa isang “7nm” na node, na nagreresulta sa mas mabilis at mas matipid na kuryenteng mga chip.

Related Intelligence

Technology

Paano Ginagawa ang Computer Chips? Kumpletong Gabay sa Proseso ng Disenyo at Paggawa Mula sa Ibang Bansa

Technology

Paano Gumagana ang Smartphone: Teknolohiyang Mobile sa Timog Asya