20 अरब डॉलर में सेमीकंडक्टर फ़ैब बनाने का तरीका

 (construction-physics.com)
2 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-05-05 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें

20 अरब डॉलर में सेमीकंडक्टर फ़ैब कैसे बने

सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रिया की कठिनाइयाँ और लागत

  • सेमीकंडक्टर निर्माण सामान्य निर्माण की तुलना में कहीं अधिक कठिन होता है क्योंकि इसमें प्रक्रियाएँ बहुत जटिल हैं और त्रुटि की अनुमति सीमा बहुत सख्त है।
  • आधुनिक सेमीकंडक्टर में ट्रांजिस्टर का आकार नैनोमीटर स्तर पर होता है, इसलिए यह सामान्य विनिर्माण की तुलना में दसियों हजार गुना अधिक प्रिसीजन मांगता है।
  • धूल का एक छोटा कण या कुछ एटम की स्थिति में हल्का सा अंतर भी पूरी चिप को खराब कर सकता है।
  • अशुद्धियों की सांद्रता या प्रक्रिया गति में सूक्ष्म अंतर भी स्वीकार्य नहीं होते।
  • सेमीकंडक्टर निर्माण का इतिहास इन्हीं सूक्ष्म प्रभावों और उनके घातक परिणामों के विरुद्ध निरंतर संघर्ष का इतिहास है।
  • सेमीकंडक्टर डिवाइस जितने छोटे होते जाते हैं, समस्याएँ उतनी ही कठिन हो जाती हैं।
  • आधुनिक सेमीकंडक्टर फ़ैक्टरी को अत्यधिक सटीकता और पूर्वानुमानयोग्यता वाला संसार बनाना पड़ता है।
  • प्रक्रिया को बाधित कर सकने वाले सभी प्रभावों को ब्लॉक करना और सूक्ष्म विचलन खोजकर हटाना आवश्यक होता है।
  • यह सब हर वर्ष लाखों वॉफ़र और सैकड़ों करोड़ चिप (प्रत्येक में अरबों ट्रांजिस्टर) के बड़े पैमाने के उत्पादन में बनाए रखना होता है।

सेमीकंडक्टर फ़ैक्टरी (Fab) की संरचना

  • आधुनिक सेमीकंडक्टर फ़ैक्टरी आमतौर पर चार स्तरों से बनी होती है।
  • केंद्रीय हिस्सा वही क्लीनरूम स्तर है जहां निर्माण प्रक्रिया चलती है।
  • क्लीनरूम के नीचे दो सब-फ़ैब स्तर होते हैं (सामान्यतः 2), जिनमें क्लीनरूम संचालन को सपोर्ट करने वाली मशीनरी, पाइपिंग और वायरिंग होती है।
  • क्लीनरूम के ऊपर वह क्षेत्र होता है जहां हवा को फिल्टर कर सर्कुलेट करने के लिए fan और फिल्टर लगे होते हैं।
  • क्लीनरूम में lithography, CVD, ion implanter जैसी अलग-अलग प्रक्रिया उपकरण (process tools) लगाए जाते हैं।
  • आधुनिक लॉजिक सेमीकंडक्टर फ़ैक्टरी में हर महीने 4–5 लाख वॉफ़र उत्पादन के लिए 1000 से अधिक process tools की जरूरत होती है।
  • 300mm वॉफ़र पर शिफ्ट होने के बाद AMHS (Automated Material Handling System) का उपयोग अनिवार्य हो जाता है।
  • क्लीनरूम को न्यूनतम प्रदूषण वाली डिज़ाइन के साथ बनाया जाता है। सेमीकंडक्टर फ़ैक्टरी में सामान्यतः Class 10/100 स्तर की क्लीनलैसिटी बनाए रखी जाती है।
  • फर्श पर लगे HEPA/ULPA फिल्टर से हवा नीचे उतरकर recirculate होती है।
  • बाहरी हवा के प्रवेश को रोकने के लिए क्लीनरूम को सकारात्मक दबाव (positive pressure) पर रखा जाता है।
  • नए फ़ैक्टरी FOUP के जरिए सीलबंद तरीके से वॉफ़र ट्रांसफर करते हैं और प्रक्रिया उपकरणों को स्वयं सीलबंद रखने वाली mini-environment रणनीति अपनाते हैं।
  • डिज़ाइन ऐसा होता है कि vibration, light, static electricity, electromagnetic wave जैसे सभी interference स्रोतों को ब्लॉक किया जा सके।
  • सब-फ़ैब में प्रक्रिया उपकरणों का समर्थन करने वाले laser, vacuum pump आदि रखे जाते हैं।
  • विषैले chemicals के हैंडलिंग, अपशिष्ट प्रबंधन आदि के लिए विशेष सुविधा और पाइपिंग की जरूरत होती है।
  • फ़ैक्टरी के बाहर oxygen/nitrogen separation सिस्टम, ultrapure water निर्माण सिस्टम जैसी सपोर्ट सुविधाओं की जरूरत पड़ती है।
  • बड़े सेमीकंडक्टर फ़ैब की बिजली खपत लगभग एक nuclear power plant के बराबर यानी करीब 100MW हो सकती है।

सेमीकंडक्टर फ़ैक्टरी निर्माण

  • निर्माण के लिए दसियों लाख वर्ग फुट क्लीनरूम और सैकड़ों acres ज़मीन की जरूरत होती है।
  • हजारों टन स्टील स्ट्रक्चर और सैकड़ों हजारों cubic yard कंक्रीट की जरूरत पड़ती है।
  • Intel ने एक नए फ़ैब में Burj Khalifa के लगभग 2x कंक्रीट और Eiffel Tower के लगभग 5x स्टील के इस्तेमाल का उदाहरण दिया।
  • प्रिसीजन सुनिश्चित करने के लिए हजारों विशेषज्ञ कर्मियों की जरूरत होती है। Intel के नए फ़ैब में अधिकतम 9,300 और TSMC में 12,000 लोग काम करते हैं।
  • blow down के बाद उपकरण सेटअप के लिए 6 महीने से 1 साल लगता है।
  • फ़ैक्टरी निर्माण सामान्यतः 2 से 4 साल लेता है। अमेरिका में यह एशिया की तुलना में अधिक समय लेता है और लागत भी 30% से 400% अधिक होती है।

सेमीकंडक्टर फ़ैक्टरी निर्माण लागत

  • निर्माण बजट का 70% से 80% भाग process equipment की खरीद पर खर्च होता है।
  • निर्माण खर्च में मशीनरी/इलेक्ट्रिकल सिस्टम का हिस्सा दो-तिहाई से अधिक होता है। घरेलू भवन निर्माण में यह हिस्सा 20% से कम होता है।
  • उपकरण लागत में lithography equipment का हिस्सा सबसे बड़ा होता है। यह कुल निर्माण खर्च का लगभग 20% है, यानी लगभग पूरी फ़ैक्टरी इमारत जितना महँगा।
  • हर नए process node पर जाने से निर्माण लागत लगभग 30% बढ़ जाती है।
  • ट्रांजिस्टर के छोटे होने के कारण उपकरणों की कीमत बढ़ना और mask/प्रोसेस स्टेप की संख्या बढ़ना इसके मुख्य कारण हैं।
  • वॉफ़र आकार बढ़ने (300mm) के साथ automation उपकरण की जरूरत एक और कारण है।
  • निर्माण लागत बढ़ने से सीधे IDMs द्वारा इन-हाउस फ़ैब चलाने की संख्या घट रही है, और design व manufacturing के अलग होने वाला foundry मॉडल फैल रहा है।

GN⁺ की राय

  • सेमीकंडक्टर निर्माण को परमाणु-स्तर की प्रिसीजन मांगने वाली चरम engineering कहा जा सकता है। यह आधुनिक सभ्यता को चलाने वाली सेमीकंडक्टर तकनीक की जटिलता और परिशुद्धता का एहसास कराता है।
  • सेमीकंडक्टर इंडस्ट्री के ट्रेंड समझने के लिए यह जानकारी काफी उपयोगी है—IDM से foundry मॉडल की ओर बदलाव, 450mm वॉफ़र पर शिफ्ट का रुकना आदि।
  • यह बहुत स्पष्ट दिखाता है कि निर्माण लागत क्यों बेहद ऊँची हो जाती है और किस मद में कितना खर्च आता है।
  • प्रक्रिया की जटिलता को देखते हुए 2–4 साल का निर्माण समय उलटे तेज़ लगता है; लेकिन यह दिलचस्प बिंदु है। हालांकि अमेरिका में यह दक्षिण कोरिया और ताइवान की तुलना में काफी ज्यादा समय लेता है।
  • अत्यधिक महंगे प्रक्रिया उपकरणों के मुख्य सप्लायर सीमित हैं—ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron आदि—जिससे सेमीकंडक्टर इक्विपमेंट सेक्टर में oligopoly जैसी संरचना भी समझ में आती है।
  • यह जानना रुचिकर है कि सेमीकंडक्टर जैसी अत्यधिक सटीक प्रक्रिया उद्योग में जब पूर्ण automation और unmanned ऑपरेशन की ओर जाया जाएगा, तो क्या होगा; शायद यहाँ लेबर कॉस्ट का अनुपात कम होने के कारण automation का merit उतना बड़ा न लगे।

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-05-05
Hacker News टिप्पणी

  • CHIPS And Science Act के कारण TSMC और Intel Arizona, Phoenix में नया सेमीकंडक्टर प्लांट बना रहे हैं, जो आर्थिक और राष्ट्रीय सुरक्षा दोनों दृष्टिकोणों से महत्वपूर्ण है

  • उत्पादन शुरू होने में कई साल लगेंगे, लेकिन निर्माण, भविष्य की workforce training और सपोर्ट करने वाली कंपनियों के इकोसिस्टम के माध्यम से CHIPS Act का लोगों के जीवन पर असर पहले ही दिखने लगा है

  • TSMC के संस्थापक Morris Chang का एक मौखिक इतिहास इंटरव्यू:

    • उन्होंने चीन से ताइवान और फिर अमेरिका में पढ़ने व काम करने से जो अनुभव और insights पाए, उन्हीं से ताइवान में TSMC की स्थापना की
    • उनके अनुसार एशियाई इंजीनियर ज़्यादा सावधान और व्यवस्थित होते हैं, जबकि अमेरिकी इंजीनियर ज़्यादा इनोवेटिव लेकिन कम सिस्टमेटिक; दोनों समूह एक-दूसरे की पूर्ति कर सकते हैं

  • iPhone पर Angry Birds खेलते-खेलते हम भूल जाते हैं, लेकिन आधुनिक तकनीक संभव करने वाली भारी मात्रा की शोध, संसाधन और विशेषज्ञता मौजूद है

  • अगर सेमीकंडक्टर इंडस्ट्री के इतिहास और आज के दुविधा को समझना हो, तो Chris Miller की किताब 'Chip Wars' देखना अच्छा रहेगा

  • एक हाई स्कूल छात्र ने अपने माता-पिता के गैरेज में "low-budget" में अपना सेमीकंडक्टर प्लांट बनाया—इस पर एक दिलचस्प वीडियो है। 6502 CPU तक घर पर बनाने की कोशिश होते देखना चाहता था, पर वह आगे बढ़ नहीं पाया

  • Apple, Nvidia आदि ने वह मॉडल अपनाया है जिसमें वे chips डिजाइन करते हैं और निर्माण के लिए TSMC जैसी "foundry" को outsource करते हैं—यानी fabless मॉडल। अलग-अलग chip कंपनियों के orders जोड़कर वे सबसे advanced process लाइन में आवश्यक economies of scale हासिल करते हैं

  • लंबे समय में AI training भी शायद इसी तरह का मॉडल ले सकती है

  • सामान्य manufacturing process tolerance में न्यूनतम करीब 10x का अंतर होता है। CNC machining के tolerance को 0.125mm कहना ठीक नहीं लगता

  • Moore के दूसरे कानून (Rock's law) के हिसाब से सेमीकंडक्टर प्लांट की लागत हर 4 साल में दोगुनी हो जाती है। 30 साल के भीतर एक अकेले प्लांट पर 3 ट्रिलियन डॉलर से ज़्यादा खर्च होने की संभावना दिखती है, यानी आर्थिक दृष्टिकोण से technology improvement की एक सीमा मौजूद है

  • 20 बिलियन डॉलर जुटाकर सेमीकंडक्टर प्लांट बनाना बिल्कुल owl-drawing meme जैसा लगता है

  • सेमीकंडक्टर प्लांट कितने जटिल होते हैं, यह मैं पहले से जानता था, फिर भी यह लेख अब भी चौंकाने वाला लगा

  • जब आप 40 मिलियन डॉलर के निर्माण स्थल पर जाएँ, तो काम करते मज़दूरों, equipment और सामग्री को देखकर लगता है कि सच में 40 मिलियन डॉलर घूम रहे हैं