วิธีการก่อสร้างโรงงาน Fab เซมิคอนดักเตอร์ขนาด 20 พันล้านดอลลาร์

 (construction-physics.com)
2 คะแนน โดย GN⁺ 2024-05-05 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

วิธีการก่อสร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์ขนาด 20 พันล้านดอลลาร์

ความยากในการผลิตและต้นทุนของกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์

  • การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ยากกว่างานผลิตทั่วไปมาก เนื่องจากมีขั้นตอนที่ซับซ้อนและเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวด
  • ขนาดทรานซิสเตอร์ของเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่อยู่ระดับนาโนเมตร ต้องการความละเอียดมากกว่างานผลิตทั่วไปหลายแสนเท่า
  • ฝุ่นเพียงเม็ดเดียวหรือตำแหน่งที่คลาดเคลื่อนไปเพียงไม่กี่อะตอมก็อาจทำให้ชิปทั้งแผ่นพังได้
  • ความแตกต่างเล็กน้อยของความเข้มข้นสิ่งเจือปนหรือความเร็วกระบวนการก็ไม่อาจยอมรับได้
  • ประวัติของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์คือการต่อสู้กับเอฟเฟกต์ขนาดเล็กๆที่ก่อผลร้ายรุนแรงเหล่านี้
  • ปัญหายิ่งยากขึ้นเมื่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็กลง
  • โรงงานเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ต้องสร้างโลกแห่งความแม่นยำและความคาดเดาได้สูงมาก
  • ต้องปิดกั้นผลกระทบทุกอย่างที่อาจรบกวนกระบวนการ และตรวจหาความเบี่ยงเบนระดับเล็กน้อยเพื่อนำไปกำจัด
  • ต้องรักษาให้เป็นเช่นนี้ได้ในสภาพการผลิตจำนวนมากที่ผลิตเวฟเฟอร์ทุกปีหลายแสนแผ่น และชิปนับร้อยล้านชิ้นต่อปี แต่ละชิ้นมีทรานซิสเตอร์นับพันล้านตัว

โครงสร้างของโรงงานเซมิคอนดักเตอร์ (Fab)

  • โรงงานเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่โดยทั่วไปมี 4 ชั้น
  • แกนหลักคือชั้นคลีนรูมที่ดำเนินการกระบวนการผลิต
  • ใต้คลีนรูมคือชั้นซับแฟบที่มีอุปกรณ์ ระบบท่อ และระบบสายไฟที่รองรับงานคลีนรูม (โดยทั่วไป 2 ชั้น)
  • ชั้นเหนือคลีนรูมคือพื้นที่ที่มีพัดลมและตัวกรองสำหรับกรองอากาศก่อนหมุนเวียนใหม่
  • ในคลีนรูมมีการจัดวางอุปกรณ์กระบวนการรายประเภท เช่น ลิโซกราฟี, CVD, อุปกรณ์อิออนอิมพลานต์เตอร์ เป็นต้น (โปรเซสทูล)
  • โรงงานเซมิคอนดักเตอร์ลอจิกสมัยใหม่ต้องมีอุปกรณ์กระบวนการมากกว่า 1,000 ตัวเพื่อผลิตเวฟเฟอร์เดือนละ 4~5 หมื่นแผ่น
  • เมื่อเปลี่ยนมาใช้เวฟเฟอร์ขนาด 300 มม. จำเป็นต้องใช้ระบบขนส่งอัตโนมัติ AMHS
  • คลีนรูมถูกออกแบบเพื่อลดการปนเปื้อนให้น้อยที่สุด โดยโรงงานเซมิคอนดักเตอร์รักษาความสะอาดระดับ Class 10/100
  • โครงสร้างนี้ทำให้อากาศไหลลงมาทางล่างและหมุนเวียนผ่านตัวกรอง HEPA/ULPA ที่พื้น
  • เพื่อป้องกันการรั่วไหลของอากาศจากภายนอก จึงคงคลีนรูมไว้ที่ความดันบวก
  • โรงงานรุ่นใหม่ใช้กลยุทธ์ mini-environment โดยเคลื่อนย้ายเวฟเฟอร์แบบปิดด้วย FOUP และหุ้มตัวอุปกรณ์กระบวนการให้อยู่ในสภาพแวดล้อมปิด
  • ออกแบบเพื่อกั้นปัจจัยรบกวนทั้งหมด เช่น การสั่นสะเทือน แสง ไฟฟ้าสถิต และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
  • ในซับแฟบจะมีเลเซอร์ ปั๊มสุญญากาศ ฯลฯ เพื่อสนับสนุนอุปกรณ์กระบวนการ
  • ต้องมีระบบและท่อพิเศษสำหรับการจัดการสารเคมีอันตราย การกำจัดของเสีย และงานอื่นๆ
  • นอกโรงงานต้องมีสิ่งอำนวยความสะดวกสนับสนุน เช่น ระบบแยกออกซิเจน/ไนโตรเจน และระบบผลิตน้ำอัลตราปิวร์
  • โรงงานเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ใช้ไฟฟ้าประมาณระดับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์หนึ่งเครื่อง (100MW)

การก่อสร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์

  • ต้องใช้คลีนรูมหลายแสนตารางฟุตและพื้นที่กว้างหลายร้อยเอเคอร์
  • ต้องใช้โครงสร้างเหล็กหลายหมื่นตันและคอนกรีตหลายแสนลูกบาศก์หลา
  • อินเทลใช้คอนกรีตจำนวน 2 เท่าของหอคอย Burj Khalifa และโครงเหล็ก 5 เท่าของหอไอเฟลสำหรับโรงงานแห่งใหม่
  • เพื่อให้ได้ความแม่นยำที่ต้องการ ต้องใช้ผู้เชี่ยวชาญจำนวนมาก อินเทลใช้ผู้เชี่ยวชาญสูงสุด 9,300 คน ในขณะที่ TSMC ใช้ 12,000 คน
  • หลังการ blow down แล้ว ต้องใช้เวลาตั้งค่าอุปกรณ์ 6 เดือนถึง 1 ปี
  • การก่อสร้างโรงงานโดยทั่วไปใช้เวลาประมาณ 2~4 ปี สหรัฐอเมริกามักใช้เวลานานกว่าเอเชีย และมีต้นทุนสูงกว่า 30~400%

ต้นทุนการก่อสร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์

  • งบก่อสร้าง 70~80% ใช้สำหรับซื้ออุปกรณ์กระบวนการ
  • สัดส่วนอุปกรณ์เครื่องจักรและระบบไฟฟ้าในงบก่อสร้างมากกว่า 2/3 ในขณะที่การสร้างบ้านอยู่ต่ำกว่า 20%
  • ในต้นทุนอุปกรณ์ สัดส่วนสูงสุดคืออุปกรณ์ลิโซกราฟี คิดเป็นราว 20% ของต้นทุนการก่อสร้างทั้งหมด มีราคาแพงเทียบเท่าอาคารโรงงาน
  • ต้นทุนการก่อสร้างโรงงานเพิ่มขึ้น 30% ทุกครั้งที่ก้าวสู่โหนดกระบวนการใหม่
  • การย่อขนาดทรานซิสเตอร์ทำให้อุปกรณ์แพงขึ้น และจำนวนมาสก์/กระบวนการที่มากขึ้นเป็นสาเหตุหลัก
  • การเพิ่มขนาดเวฟเฟอร์เป็น 300 มม. ทำให้ต้องมีอุปกรณ์อัตโนมัติมากขึ้น ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุสำคัญ
  • เมื่อการก่อสร้างสูงขึ้น ผู้ที่ยังคงเป็นเจ้าของโรงงานแบบ IDM ลดลง โมเดลพาร์ทเนอร์ผลิต (foundry) ที่แยกงานออกแบบและการผลิตจึงขยายตัวมากขึ้น

ความคิดเห็นของ GN⁺

  • การผลิตเซมิคอนดักเตอร์สามารถมองได้ว่าเป็นวิศวกรรมขั้นสุดท้ายที่ต้องการความแม่นยำระดับอะตอม ทำให้สัมผัสได้ถึงความซับซ้อนและความประณีตของเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นฐานของอารยธรรมสมัยใหม่
  • มีข้อมูลมากมายที่ช่วยอ่านเทรนด์อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้ดี ทั้งการเปลี่ยนจาก IDM มาเป็นพาวน์ดรี (foundry) และการยกเลิกการเปลี่ยนไปใช้เวฟเฟอร์ 450 มม.
  • อธิบายอย่างละเอียดว่าทำไมการก่อสร้างโรงงานจึงมีต้นทุนสูงมาก และต้นทุนแต่ละส่วนเป็นเท่าไร
  • เมื่อพิจารณาความซับซ้อนของกระบวนการแล้ว ระยะเวลาก่อสร้าง 2~4 ปีนับว่าเร็วไปด้วยซ้ำ แต่ประเด็นที่ต่างออกไปคือสหรัฐใช้เวลานานกว่าเกาหลีหรือไต้หวันอย่างมาก
  • จุดนี้ยังชี้ให้เห็นโครงสร้างที่กระจุกตัวของอุตสาหกรรมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ซัพพลายเออร์อุปกรณ์กระบวนการราคาแพงมีเพียงไม่กี่ราย เช่น ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron ฯลฯ
  • ควรสังเกตว่าอุตสาหกรรมกระบวนการที่ละเอียดอ่อนอย่างเซมิคอนดักเตอร์จะเดินหน้าไปสู่การอัตโนมัติและไร้ผู้ปฏิบัติงานเต็มรูปแบบจะเป็นอย่างไร
  • อาจรู้สึกว่าเมื่อต้นทุนแรงงานมีสัดส่วนต่ำ โอกาสสร้างผลตอบแทนจากการทำงานอัตโนมัติก็อาจไม่สูงนัก

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2024-05-05
ความคิดเห็นจาก Hacker News

  • CHIPS and Science Act ทำให้ TSMC และ Intel กำลังก่อสร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ที่ Arizona, Phoenix และถือเป็นสิ่งจำเป็นทั้งในมุมมองเศรษฐกิจและความมั่นคงของชาติ

  • แม้การผลิตจริงจะกินเวลาหลายปี แต่ผลกระทบของ CHIPS Act ต่อวิถีชีวิตผู้คนได้เริ่มปรากฏแล้วตั้งแต่ตอนนี้ ทั้งงานก่อสร้างในปัจจุบัน การพัฒนากำลังคนในอนาคต และระบบนิเวศบริษัทผู้สนับสนุน

  • สัมภาษณ์ประวัติศาสตร์แบบบันทึกด้วยปากเปล่าของผู้ก่อตั้ง TSMC, Morris Chang:

    • เขาก่อตั้ง TSMC ที่ไต้หวันจากประสบการณ์และความเข้าใจที่ได้จากการย้ายจากจีนไปไต้หวัน รวมถึงการศึกษาและทำงานในสหรัฐฯ
    • เขามองว่าวิศวกรเอเชียเป็นคนละเอียดรอบคอบและเป็นระบบ ขณะที่วิศวกรสหรัฐฯ มีความสร้างสรรค์แต่มีความเป็นระบบน้อยกว่า และเขาเชื่อว่าสองกลุ่มสามารถเติมเต็มกันได้

  • เมื่อเล่น Angry Birds บน iPhone อาจลืมเรื่องนี้ได้ง่าย แต่จริงๆ แล้วมีงานวิจัย ทรัพยากร และความเชี่ยวชาญจำนวนมหาศาลที่ทำให้เทคโนโลยีสมัยใหม่เป็นไปได้

  • หากอยากทำความเข้าใจประวัติศาสตร์และปัญหาปัจจุบันของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มากขึ้น ขอแนะนำหนังสือของ Chris Miller เรื่อง "Chip Wars"

  • มีวิดีโอที่น่าสนใจของนักเรียนมัธยมปลายที่สร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์แบบงบจำกัดในโรงรถของผู้ปกครอง เขาอยากเห็นการทำ CPU 6502 ที่บ้าน แต่เสียดายที่ไม่ได้พัฒนาไปไกลกว่านั้น

  • Apple, Nvidia และบริษัทอื่นๆ กำลังหันมารับโมเดลการเป็น “fabless” คือออกแบบชิปและจ้างผลิตกับ "foundry" อย่าง TSMC เพื่อรวบรวมคำสั่งซื้อของบริษัทชิปรายอื่นๆ ให้พอถึงอัตราส่วนประหยัดต่อขนาดเศรษฐกิจในไลน์กระบวนการล้ำสมัย

  • ระยะยาว การฝึก/การเรียนรู้ของ AI อาจพัฒนาเป็นโมเดลแบบเดียวกัน

  • ความคลาดเคลื่อนปกติในการผลิตมีความต่างกันอย่างน้อยราว 10 เท่า การกำหนด tolerance การกลึงด้วย CNC ที่ 0.125mm นั้นไม่สมเหตุสมผล

  • ตามกฎที่สองของ Moore (Rock’s law) ต้นทุนโรงงานเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก 4 ปี และภายใน 30 ปี โรงงานเดียวอาจต้องใช้เงินมากกว่า 3 ล้านล้านดอลลาร์สหรัฐ ซึ่งชี้ว่ามีเพดานของการพัฒนาทางเทคโนโลยีที่ถูกจำกัดด้วยเหตุผลทางเศรษฐกิจ

  • การระดมทุน 20 พันล้านดอลลาร์เพื่อก่อสร้างโรงงานเซมิคอนดักเตอร์ดูเหมือนเหมือนมีมวาดนกฮูก

  • ผมรู้ว่าโรงงานเซมิคอนดักเตอร์ซับซ้อนมากอยู่แล้ว แต่บทความนี้ยังคงตอกย้ำความมหัศจรรย์และความรุนแรงได้

  • เมื่อไปที่ไซต์ก่อสร้างขนาด 40 ล้านดอลลาร์ จะเห็นคนงาน เครื่องจักร และวัสดุเคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา ทำให้นึกได้เลยว่าเงิน 40 ล้านดอลลาร์กำลังไหลเวียนไปแล้ว