20 अरब डॉलर का semiconductor Fab कैसे बनाया जाता है

 (construction-physics.com)
2 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-05-05 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • semiconductor ने प्रति transistor लागत को बेहद कम कर दिया है, लेकिन इन्हें बनाने वाले Fab निर्माण की लागत 10–20 अरब डॉलर या उससे भी अधिक हो गई है, जिससे AI, mobile और computing supply chain में bottleneck बनता है
  • chip manufacturing में silicon wafer पर layer formation, patterning, doping, heat treatment को बार-बार दोहराकर FEOL devices और BEOL metal interconnects बनाए जाते हैं, और advanced process में 80 से अधिक masks और हजारों steps लग सकते हैं
  • आधुनिक Fab एक विशाल system है जिसमें cleanroom, sub-fab, interstitial space और बाहरी support facilities एक-दूसरे से जुड़ी होती हैं, और particle, vibration, power, gas और ultrapure water तक सब कुछ एक साथ नियंत्रित करना पड़ता है
  • नए Fab की लागत का 70–80% process equipment पर जाता है, और ASML EUV जैसे lithography उपकरणों की कीमत प्रति unit सैकड़ों मिलियन डॉलर तक होती है; केवल lithography ही कुल लागत का लगभग 20% मानी जाती है
  • process node जितना आगे बढ़ता है, equipment price, mask count और automation requirements उतनी बढ़ती हैं, और यही बोझ advanced manufacturing को TSMC, Samsung, Intel जैसी कुछ कंपनियों और fabless-foundry संरचना में केंद्रित करता है

transistor सस्ते हुए, लेकिन Fab महंगे हो गए

  • semiconductor ने PC, internet, mobile phone और AI के विकास की नींव रखी, और GPU बड़े पैमाने के matrix operations के जरिए AI तकनीक की प्रगति में अहम भूमिका निभाते हैं
  • Moore’s Law के अनुसार transistor छोटे और सस्ते होते गए
    • 1954 के TR-1 transistor radio में 4 transistor थे, और प्रति transistor कीमत 2.50 डॉलर थी, जो 2024 के हिसाब से 29.03 डॉलर होती है
    • AMD Ryzen 9 7950X3D में 9.9 अरब transistor हैं और यह 650 डॉलर में बिकता है, यानी प्रति transistor लगभग 0.000000066 डॉलर
    • 1950 के दशक के बाद transistor की लागत लगभग 30 करोड़वें हिस्से तक घट गई है
  • इसके उलट manufacturing facilities की लागत तेज़ी से बढ़ी है
    • 1960 के दशक के अंत से 1970 के शुरुआती वर्षों तक Fab की लागत लगभग 40 लाख डॉलर थी, जो 2024 के हिसाब से लगभग 3.1 करोड़ डॉलर होती है
    • आधुनिक Fab की लागत 10–20 अरब डॉलर या उससे अधिक हो सकती है
    • Intel के Arizona में दो Fab की अनुमानित लागत 15–15 अरब डॉलर है, और Samsung का Taylor, Texas Fab 25 अरब डॉलर का अनुमानित है
  • Moore’s Second Law या Rock’s Law यह अवलोकन है कि semiconductor Fab की लागत हर 4 साल में दोगुनी हो जाती है
  • आधुनिक chip संरचनाएँ लगभग 50nm चौड़ाई तक पहुँच चुकी हैं, जो मानव बाल की मोटाई का लगभग 1/2000 है
    • materials को कुछ atoms जितनी पतली layers में रखा जाता है
    • धूल का एक कण, voltage का बहुत छोटा उतार-चढ़ाव, या हल्का contamination भी production failure का कारण बन सकता है
    • और यह सब किसी lab में नहीं, बल्कि हर साल करोड़ों chips बनाने वाली factory में बनाए रखना पड़ता है

chip FEOL और BEOL layers को stacking करके बनाए जाते हैं

  • computer chip कई परतों से बनी संरचना होती है
  • नीचे के FEOL(front end of line) क्षेत्र में transistor, capacitor, resistor और diode जैसे silicon-based devices होते हैं
  • ऊपर के BEOL(back end of line) क्षेत्र में इन devices को जोड़ने वाली सूक्ष्म metal wiring layers होती हैं
    • Intel की मौजूदा process में 15 metal wiring layers हैं
    • अलग-अलग layers को dielectric insulators अलग करते हैं
    • layers के बीच connection via नाम के छेदों से होता है
  • chip को high-purity silicon wafer पर material जोड़कर, उसका कुछ हिस्सा हटाकर, फिर material जोड़ या संशोधित करके बार-बार बनाया जाता है
  • यह manufacturing method 1959 में Fairchild Semiconductor के Jean Hoerni द्वारा आविष्कृत planar process है, जिसने integrated circuits और आधुनिक computer technology को संभव बनाया

चार मुख्य process

  • layer formation

    • layer formation wafer की सतह पर अत्यंत पतली material layers जोड़ने की प्रक्रिया है
    • layer की मोटाई 1nm से कम तक जा सकती है, यानी मानव बाल की मोटाई के लगभग 1/100,000 तक
    • process step के अनुसार insulator, conductor और semiconductor materials का उपयोग होता है
    • मुख्य methods में thermal oxidation, chemical vapor deposition(CVD) और sputtering शामिल हैं
    • आधुनिक atomic layer deposition इतनी precision देती है कि atoms की एक-एक layer तक जमा की जा सकती है

  • patterning

    • patterning wafer पर विशेष pattern बनाकर ज़रूरी हिस्सों की material को चुनकर हटाने की प्रक्रिया है
    • आधुनिक semiconductors photolithography का उपयोग करते हैं
    • wafer पर photoresist लगाया जाता है, फिर pattern वाले mask के ज़रिए विशेष wavelength की light डाली जाती है
    • stepper या scanner mask को wafer के ऊपर move करते हुए सैकड़ों chip क्षेत्रों को expose करता है
    • exposure के बाद photoresist develop किया जाता है, और wet या dry etching से exposed material हटाया जाता है
    • wet etching में hydrofluoric acid जैसे liquid chemicals और dry etching में fluorine जैसे plasma gases का उपयोग होता है

  • doping

    • doping semiconductor material में बहुत कम मात्रा में impurities डालकर उसकी electrical conductivity बदलने की प्रक्रिया है
    • silicon में phosphorus या arsenic जैसे group V elements डालने से free electrons वाला n-type semiconductor बनता है
    • boron जैसे group III elements डालने से holes वाला p-type semiconductor बनता है
    • p-type और n-type silicon को सही ढंग से व्यवस्थित करने पर transistor जैसे devices बनाए जा सकते हैं
    • शुरुआती दौर में diffusion method ज़्यादा इस्तेमाल होती थी, लेकिन आज doping मुख्यतः ion implantation से की जाती है

  • heat treatment

    • heat treatment वह प्रक्रिया है जिसमें wafer को गर्म या ठंडा करके इच्छित material properties हासिल की जाती हैं
    • ion implantation silicon crystal structure को नुकसान पहुँचाता है, जिसे rapid thermal annealing से ठीक किया जाता है
    • heat lamps कुछ सेकंड में wafer को 1,000 डिग्री से ऊपर गर्म करते हैं, फिर धीरे-धीरे ठंडा करके crystal structure बहाल करते हैं
    • lithography में भी liquid photoresist को bake और harden करने के लिए heat का उपयोग होता है

auxiliary processes जटिलता बढ़ाते हैं

  • CMP(chemical mechanical polishing) कई layers चढ़ाने के दौरान जमा होने वाले surface height differences को कम करने के लिए wafer surface को समतल करता है
    • etching से बने holes को material से भरने के बाद ऊपर की material को polish करके हटाने में भी इसका उपयोग होता है
  • cleaning बार-बार की जाती है ताकि सूक्ष्म particles के कारण chip defects न हों
    • आधुनिक Fab में wafer production के दौरान 200 से अधिक बार साफ़ किया जा सकता है
    • इसके लिए solvents और ultrapure water का उपयोग होता है
  • metrology process के विभिन्न बिंदुओं पर wafer को मापकर manufacturing mistakes या defects की जाँच करती है
  • शुरुआती integrated circuits को 5–10 masks और कुछ दर्जन process steps से बनाया जा सकता था, लेकिन आधुनिक advanced chips में 80 से अधिक masks और हजारों individual process steps लग सकते हैं
  • process पूरा होने के बाद wafer assembly और packaging चरण में जाता है
    • wafer को individual chips में काटा जाता है
    • chips को wiring या अन्य chips से जोड़ा जाता है
    • उन्हें protective coating में बंद किया जाता है
    • packaging Fab के अंदर या अलग facility में हो सकती है

nanometer manufacturing के लिए अत्यधिक नियंत्रण चाहिए

  • सामान्य manufacturing में कुछ tolerance स्वीकार्य होती है, लेकिन semiconductor manufacturing में tolerance लगभग गायब हो जाती है
  • कुछ nm आकार के transistor बनाने के लिए पारंपरिक manufacturing की तुलना में लाखों गुना अधिक precision चाहिए
  • एक सूक्ष्म particle connection को short कर पूरे chip को खराब कर सकता है, और कुछ atoms भी गलत जगह हों तो process step fail हो सकता है
  • Bell Labs के 1940 के दशक के semiconductor research में एक मामला मिला था, जहाँ researcher द्वारा copper doorknob छूने के बाद हाथ से पहुँचे बेहद कम copper atoms ने material को खराब कर दिया
  • Intel ने पाया कि equipment में छोटा बदलाव भी नए Fab की yield को कई महीनों या वर्षों तक घटा सकता है
    • इसे रोकने के लिए उसने Copy EXACTLY! process शुरू किया
    • नए Fab को पुराने Fab जितना संभव हो उतना समान बनाया गया, यहाँ तक कि दीवार के paint का रंग और brand भी मिलाया गया

आधुनिक Fab की बुनियादी संरचना

  • आधुनिक semiconductor Fab सामान्यतः चार स्तरों में बनी होती है
    • cleanroom, जहाँ वास्तविक process होती है
    • cleanroom के नीचे का sub-fab
    • cleanroom के ऊपर का interstitial space, जहाँ air recirculation के लिए fans और filters होते हैं
    • बाहरी support facilities
  • cleanroom में ASML EUV lithography machines, chemical vapor deposition equipment, ion implanters, और cleaning/etching के लिए wet bench जैसे process tools लगाए जाते हैं
  • equipment manufacturers में ASML, Lam Research, Applied Materials और Tokyo Electron जैसी कुछ specialized कंपनियाँ शामिल हैं
  • मुख्य process equipment की कीमत 50 लाख से 1 करोड़ डॉलर तक हो सकती है, और कुछ 10 करोड़ डॉलर से अधिक भी होते हैं
  • ASML की cutting-edge photolithography machine की कीमत लगभग 40 करोड़ डॉलर तक पहुँचती है
  • आधुनिक logic Fab प्रति माह 40,000–50,000 wafers बना सकती है, जबकि memory Fab प्रति माह 120,000 wafers तक बना सकती है
  • इस स्तर की production के लिए 1,000 से अधिक process tools की ज़रूरत हो सकती है

cleanroom और automated logistics

  • semiconductor Fab आमतौर पर Class 10 या Class 100 cleanroom के रूप में बनाई जाती है
    • हवा के प्रति 1ft³ में 0.5 micron या उससे बड़े particles की संख्या अधिकतम 10 या 100 तक ही स्वीकार्य होती है
    • एक सामान्य घर में प्रति 1ft³ लगभग 5 लाख particles होते हैं
    • operating room में यह संख्या लगभग 1 लाख होती है
  • cleanroom ceiling के HEPA या ULPA filters हवा को नीचे की ओर धकेलते हैं, फिर वह floor से sub-fab में जाकर दोबारा circulate होती है
  • cleanroom बाहर की तुलना में positive pressure बनाए रखता है ताकि बाहर के particles अंदर न आएँ
  • हवा का परिवर्तन प्रति घंटे सैकड़ों बार हो सकता है, जो सामान्य office के 5–10 बार प्रति घंटे से कहीं अधिक है
  • बड़े Fab का cleanroom 5 लाख से 10 लाख ft² या उससे अधिक हो सकता है, इसलिए HVAC system भी बहुत बड़ा होता है
  • manufacturers पूरे cleanroom को अत्यधिक साफ़ बनाने के बजाय wafer के आसपास के environment को और ज़्यादा isolate करते हैं
    • wafers को FOUP(front opening unified pod) नाम के sealed pod में ले जाया जाता है
    • process equipment खुद भी sealed mini-environment बनाते हैं
    • TSMC के एक Fab में Class 100 cleanroom के भीतर wafers को Class 0.1 mini-environment में handle किया जाता है
  • FOUP ceiling rail आधारित automated material handling system से process tools के बीच move होते हैं
    • कुछ पुराने Fab floor-based automated guided vehicles का उपयोग करते हैं
    • एक wafer को पूरी process से गुजरने में कई महीने लग सकते हैं
    • किसी भी समय production के विभिन्न चरणों में दसियों हज़ार wafers होते हैं
    • process के दौरान wafer कई miles की दूरी तय कर सकता है
  • storage में रखे FOUP contamination रोकने के लिए nitrogen purge के साथ रखे जा सकते हैं

vibration, electromagnetic effects और power तक नियंत्रित करने वाली फैक्टरी

  • process equipment vibration के प्रति बेहद संवेदनशील होते हैं, और तेज़ शोर भी manufacturing process पर नकारात्मक असर डाल सकता है
  • Fab आमतौर पर airport, railway और व्यस्त highways जैसे बाहरी vibration sources से दूर बनाई जाती है
  • एक मामले में Fab building से 400ft दूर स्थित exhaust duct cleanroom floor पर अस्वीकार्य vibration का कारण बना
  • Fab को सामान्य buildings की तुलना में 100 गुना अधिक mechanical energy और 50 गुना अधिक airflow absorb करना पड़ता है, फिर भी vibration को मानव द्वारा महसूस किए जाने वाले स्तर से कई orders of magnitude नीचे रखना होता है
  • cleanroom floor सामान्यतः 2–4ft मोटे गहरे concrete waffle slab से बनाए जाते हैं
    • stiffness बढ़ाने के लिए उन्हें घने columns से support किया जाता है
    • ऊपर pipes और cables के लिए metal raised floor लगाया जाता है
    • process equipment को workers के footsteps से होने वाली vibration से बचाने के लिए अलग pedestals पर रखा जा सकता है
  • lithography tools जैसे sensitive equipment के लिए active vibration damping systems की ज़रूरत हो सकती है
  • seismic activity वाले क्षेत्रों में seismic dampers या special foundations से building को आसपास की soil से अलग किया जा सकता है
  • अन्य interference sources भी control किए जाते हैं
    • lithography areas में photoresist exposure रोकने के लिए special yellow lighting उपयोग होती है
    • static charge buildup रोकने के लिए anti-static materials लगाए जाते हैं
    • electromagnetic interference कम करने के लिए equipment shielding और EMF sources को न्यूनतम करना पड़ता है
    • power outage से बचाव के लिए backup generators और UPS इस्तेमाल होते हैं
    • temperature और humidity को बहुत संकीर्ण दायरे में बनाए रखना पड़ता है
    • security के लिए RF shielding भी design की जा सकती है

sub-fab और utility facilities

  • sub-fab cleanroom के नीचे वह infrastructure layer है जो process equipment को support करती है
  • EUV lithography equipment को cleanroom में मौजूद tool body के अलावा नीचे की मंज़िल पर CO₂ laser और vacuum pumps की ज़रूरत होती है
  • ion implanters और sputtering tools को भी vacuum चाहिए, और बड़े Fab में हज़ारों vacuum pumps हो सकते हैं
  • Fab में कई तरह के high-purity chemicals और gases उपयोग होते हैं
    • nitrogen FOUP और process equipment की purge व cleaning में उपयोग होती है
    • oxygen oxidation furnaces और abatement equipment में उपयोग होती है
    • argon plasma reactions में उपयोग होता है
    • hydrogen EUV equipment cleaning में उपयोग होती है
  • कुछ chemicals के लिए 99.9999999% purity चाहिए होती है
  • piping बहुत बड़ी और जटिल होती है, और कुछ pipes का व्यास 10ft तक हो सकता है
  • toxic और hazardous materials के लिए special handling चाहिए
    • phosphine और arsine doping में उपयोग होने वाली अत्यंत toxic gases हैं
    • silane कुछ CVD processes में उपयोग होता है और हवा के संपर्क में आकर स्वतः ignition कर सकता है
    • chlorine trifluoride, जो CVD chamber cleaning में उपयोग होता है, इतना reactive है कि गीली रेत तक जला सकता है
  • exhaust gas treatment के लिए कई अलग-अलग exhaust systems चाहिए होते हैं
    • byproducts, खासकर ammonia, को इस तरह अलग रखा जाता है कि वे आपस में react न करें
    • abatement equipment और scrubbers harmful substances को हटाते हैं
  • sub-fab में electrical cabinets, transformers, fans, air handlers, chillers, RF generators और heat exchangers भी होते हैं
  • piping और equipment पर सामान्य manufacturing की तुलना में कहीं ज़्यादा कठोर standards लागू होते हैं
    • stainless steel और Teflon coating का उपयोग होता है
    • pipe interiors को particle release और contamination buildup घटाने के लिए electropolish किया जाता है
    • leaks और contamination कम करने के लिए orbital welding उपयोग होती है
    • equipment और materials cleanroom में बनाए जा सकते हैं और plastic bags में double-pack करके site तक लाए जा सकते हैं

पानी, gas, बिजली और construction का पैमाना

  • बड़े process equipment को cleanroom में ले जाने के लिए ऐसे industrial elevators चाहिए जो दसियों हज़ार pounds उठा सकें
  • एक बड़ा logic Fab प्रति घंटे 50,000 m³ nitrogen उपयोग कर सकता है, इसलिए nitrogen, oxygen और argon बनाने वाली air separation facility site पर ही लगाई जा सकती है
  • wafer cleaning और CMP के लिए भारी मात्रा में ultrapure water चाहिए
    • एक बड़ा Fab प्रतिदिन लाखों gallons ultrapure water उपयोग कर सकता है
    • यह लगभग 50,000 आबादी वाले शहर के पानी के उपयोग के बराबर है
    • ultrapure water production के लिए अलग specialized plant चाहिए
  • बड़ा Fab लगभग 100MW power मांग सकता है, जो एक बड़े nuclear reactor की capacity का लगभग 10% है
  • ऐसे उदाहरण रहे हैं जहाँ local utilities पर्याप्त power और water supply सुनिश्चित नहीं कर सकीं, और Fab project रद्द या relocate करना पड़ा
  • process conditions बनाए रखने के लिए particle levels, pressure और impurity levels की निगरानी करने वाले दसियों हज़ार sensors उपयोग होते हैं
  • बड़े Fab में कई लाख ft² cleanroom और सैकड़ों acres ज़मीन हो सकती है
  • construction के लिए दसियों हज़ार tons structural steel और लाखों yd³ concrete चाहिए
    • Intel कहता है कि उसके Fab में Burj Khalifa से दोगुना concrete और Eiffel Tower से पाँच गुना metal लगता है
  • construction के लिए special training वाले हज़ारों workers चाहिए
    • Intel के Magdeburg Fab में peak पर 9,300 से अधिक लोगों की ज़रूरत होने का अनुमान है
    • TSMC के Arizona Fab में 12,000 workers लगे हैं
  • workers को clean construction protocols का पालन करना होता है
    • welding fumes हटाने वाले equipment का उपयोग किया जाता है
    • कुछ मामलों में site पर कटे हिस्सों के edges को epoxy paint से coat किया जाता है ताकि particles न निकलें
    • piping और mechanical equipment को site के बाहर prefabricate करके install किया जा सकता है

equipment installation और yield ramp-up

  • जब cleanroom blow down चरण तक पहुँच जाता है, जहाँ positive pressure बनाए रखा जा सकता है, तब process equipment installation शुरू होती है
  • equipment कई हिस्सों में पहुँचता है और लंबे समय तक सावधानी से assemble किया जा सकता है
  • ASML के advanced EUV tools को 40 freight containers, 20 trucks और 3 cargo aircraft से transport किया जाता है
  • process equipment इतने sensitive होते हैं कि गिरने या टकराने पर देरी और लाखों डॉलर की repair cost हो सकती है
  • equipment install होने के बाद Fab को स्वीकार्य process yield तक पहुँचने में 6 महीने से 1 साल का ramp-up लग सकता है
  • अपने आकार और जटिलता के बावजूद Fab औसतन 2–4 साल में बन जाते हैं
  • अमेरिका में Fab construction अन्य क्षेत्रों की तुलना में धीमी और महंगी होती है
    • अमेरिका में Fab निर्माण अवधि 1990 के दशक में औसतन 650 दिनों से थोड़ा अधिक थी, जो 2010 के दशक में बढ़कर 900 दिनों से अधिक हो गई
    • एशियाई देशों में यह लगभग 600–700 दिनों के स्तर पर है
    • कड़ी environmental review प्रक्रियाएँ एक कारण मानी जाती हैं
    • Intel के अनुसार अमेरिकी Fab 30% अधिक महंगे हो सकते हैं, और TSMC के अनुसार यह अंतर 4 गुना तक हो सकता है
    • 4 गुना लागत संभवतः केवल facility cost के लिए हो, तो कुल Fab लागत लगभग 60–90% अधिक हो सकती है

cost structure अब equipment-केंद्रित हो गई है

  • नए Fab की लागत का 70–80% process equipment पर जाता है
  • मौजूदा Fab को अधिक advanced process node पर upgrade करने की लागत भी बिल्कुल नया Fab बनाने की लागत का बड़ा हिस्सा हो सकती है
  • 1980 के दशक के मध्य में DRAM Fab में facility cost और equipment cost लगभग बराबर थीं, लेकिन 1990 के दशक के अंत तक equipment लागत का अधिकांश हिस्सा बन गया
  • facility construction cost को structure, finishes, site work और service/mechanical systems जैसी categories में बाँटा जाता है
  • single-family house के विपरीत Fab में mechanical, electrical और service systems का हिस्सा बहुत बड़ा होता है
    • ultrapure water plant, multiple exhaust systems और बड़े HVAC के कारण service category नए Fab facility cost का लगभग 2/3 हिस्सा लेती है
    • single-family house में यह हिस्सा 20% से कम होता है
  • equipment cost में सबसे बड़ा item आमतौर पर lithography tools होते हैं
    • इसके बाद deposition tools और cleaning/etching tools आते हैं
    • lithography tools नए Fab की कुल लागत का लगभग 20% माने जाते हैं
    • इसका मतलब है कि lithography equipment की लागत पूरी Fab facility cost के बराबर हो सकती है

हर process node बदलाव के साथ लागत बढ़ती है

  • आधुनिक semiconductor Fab में हर नए process node के साथ Fab लागत लगभग 30% बढ़ती है
  • पहला cost driver अधिक महंगे equipment हैं
    • ASML EUV lithography tools उन DUV tools की तुलना में कहीं अधिक महंगे हैं जिन्हें उन्होंने replace किया
  • दूसरा cost driver अधिक masks और process steps हैं
    • transistor जितने छोटे होते हैं, metal interconnect layers उतनी बढ़ती हैं
    • FinFET पुराने सरल transistor की तुलना में अधिक layer formation steps मांगता है
  • EUV ने एक समय इस trend को कुछ हद तक उल्टा भी किया
    • उसने ऐसे काम, जिनके लिए पहले दो या अधिक masks चाहिए थे, एक ही mask से संभव किए, जिससे process steps घटे
  • यदि किसी product के manufacturing steps दोगुने हों, तो समान output के लिए equipment भी दोगुना चाहिए
  • wafer size में वृद्धि भी लागत बढ़ाती है
    • 1970 के दशक में 50mm wafers इस्तेमाल होते थे
    • आज advanced Fab 300mm wafers उपयोग करते हैं
    • 450mm transition की योजना बनी थी, लेकिन उसे लागू नहीं किया गया
  • 300mm wafer transition ने automated material handling equipment के उपयोग को बहुत बढ़ा दिया
    • क्योंकि FOUP में रखे wafers इतने भारी हो गए कि उन्हें हाथ से उठाना कठिन था
    • automated logistics के लिए बड़े structures और cleanroom की अधिक ऊँची ceilings चाहिए थीं

fabless-foundry संरचना ने industry को फिर से ढाला

  • जब Fab सस्ते थे, तब chip producers अपनी खुद की Fab रख सकते थे
  • Fab लागत बढ़ने के साथ advanced manufacturing facilities चलाने का बोझ इतना बढ़ा कि इतनी बड़ी production volume रखने वाले manufacturers कम होते गए जो यह लागत फैला सकें
  • 150mm wafer Fab का efficient scale लगभग 10,000 wafers प्रति माह है, लेकिन 300mm logic wafer Fab के लिए यह बढ़कर 40,000 wafers प्रति माह हो गया
  • memory wafer Fab इससे भी बड़े होते हैं, लगभग 120,000 wafers प्रति माह
  • आज advanced nodes चलाने की क्षमता रखने वाली कंपनियाँ मुख्यतः TSMC, Samsung और Intel जैसी कुछ ही हैं
  • Apple और Nvidia जैसी कंपनियाँ chips design करती हैं, जबकि TSMC जैसी foundry उन्हें manufacture करती है; यह fabless model अब व्यापक है
  • foundry कई chip companies के orders को जोड़कर advanced Fab चलाने लायक scale हासिल करती हैं

Fab atomic scale पर mass production facility है

  • आधुनिक gigafab हर साल करोड़ों chips बनाती है, और हर chip में अरबों transistor होते हैं
  • semiconductor production में atomic scale पर विशाल मात्रा के materials को 24x7, दोहराए जाने योग्य और भरोसेमंद तरीके से manipulate करना पड़ता है
  • Fab की लागत वहीं से पैदा होती है जहाँ mass production factory का विशाल पैमाना और लगभग अकल्पनीय precision एक-दूसरे से मिलते हैं

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-05-05
Hacker News की राय

  • आने-जाने के दौरान मैंने कुछ दिनों तक NPR/KQED पर Kai Ryssdal द्वारा होस्ट किया जाने वाला Marketplace सुना, और हाल का विषय CHIPS and Science Act तथा Arizona के Phoenix में TSMC और Intel द्वारा बनाए जा रहे नए semiconductor कारखाने थे
    जो कारखाने पहले से बन रहे हैं, उन्हें उत्पादन शुरू करने में कई साल लगेंगे, लेकिन मौजूदा construction site से लेकर भविष्य के workforce training तक, और इन विशाल कारखानों को support करने वाली आसपास की कंपनियों तक, एक पूरा ecosystem बन रहा है
    CHIPS Act की funding सिर्फ manufacturing facilities को आकर्षित करने के लिए नहीं है; economy और national security के नजरिए से, अमेरिका ने जो क्षमता खो दी थी उसे जरूरी scale पर वापस पाने में भी यह अहम है
    रुचि हो तो वह broadcast podcast के रूप में सुना जा सकता है: https://www.npr.org/podcasts/381444600/marketplace

    • TSMC ने कई engineers को Taiwan से Phoenix में shift किया है, और housing, schools और ethnic grocery stores तक वाला एक town शुरू से बनाया गया है
      अगले कुछ सालों में यह trend Phoenix पर कैसा सांस्कृतिक और आर्थिक असर डालेगा, यह देखना दिलचस्प होगा
    • इसे positive externality कहा जाता है
      इसलिए outsourcing ने वादे से कहीं ज्यादा नुकसान किया, और reshoring भी उम्मीद से कहीं ज्यादा नौकरियां पैदा कर सकती है
      हालांकि politicians की तरह, वे सही काम करते हुए भी उसे गलत तरीके से handle करते हैं, इसलिए फिलहाल final outcome stagflation के करीब जाने की संभावना ज्यादा लगती है
    • मुझे हैरानी है कि क्या Intel अपने Arizona expansion के लिए ASML EUV equipment खरीद रहा है
      ऐसा लगता है कि Intel ASML EUV को पूरी तरह skip कर रहा है, और अगर ऐसा है तो समझ नहीं आता कि वे 7nm~5nm पर अच्छी yield कैसे हासिल कर सकते हैं
      लगता नहीं कि यह High-NA से आएगा, और वह short-term distraction जैसा दिखता है
    • “सहायक कंपनियां” से मतलब खास तौर पर क्या हो सकता है? उदाहरण के लिए, क्या यह workers के परिवारों के लिए schools जैसी चीज है?

  • तुलना के लिए, World Trade Center की construction cost 2 अरब डॉलर थी
    मैंने semiconductor industry में 35 साल काम किया है, और यह लेख chip manufacturing में क्या-क्या लगता है, इसे समझाने वाले आम पाठकों के लिए लिखे लेखों में मेरे देखे हुए सबसे अच्छे लेखों में से है
    इसमें explanation और diagrams का balance perfect है, बिना जरूरत से ज्यादा simplification किए

    • मेरा भी यही विचार था
      मेरा PhD SiC से जुड़े field में था, और अगर उस समय इस तरह की introductory explanation होती, तो शायद मैं बहुत तेजी से catch up कर पाता

  • सचमुच दिलचस्प लेख है
    यह देखकर फिर आश्चर्य होता है कि इंसान कितना आगे बढ़ चुका है, और iPhone पर Angry Birds खेलते समय हम आसानी से भूल जाते हैं कि modern tech world को संभव बनाने के पीछे कितना जबरदस्त research, resources और specialized knowledge है
    semiconductor industry के इतिहास और आज की dilemmas को और गहराई से देखना हो तो Chris Miller की Chip War भी जोरदार recommend करता हूं

  • थोड़ा related, एक high school student का video है जिसमें उसने अपने parents के garage में “low budget” में अपना semiconductor fab बनाया
    https://youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
    बहुत दिलचस्प video है, लेकिन थोड़ा अफसोस है कि उसने उस idea को और आगे नहीं बढ़ाया
    मैं सच में घर पर 6502 जैसी चीज बनते देखना चाहता था

  • खासकर यह हिस्सा ध्यान खींचता है: cutting-edge nodes चलाने की कोशिश करने वाली कंपनियां अभी TSMC, Samsung, Intel जैसी बहुत थोड़ी हैं, और industry fabless model की ओर चली गई है, जहां Apple या Nvidia chips design करते हैं और TSMC जैसी foundry उन्हें manufacture करती है
    कई chip कंपनियों के orders को इकट्ठा करने पर foundry cutting-edge fab को afford करने लायक scale बना सकती है
    सोचता हूं कि long term में AI training भी ऐसी ही हो जाएगी या नहीं, और मुझे लगता है कि आज भी यह कुछ हद तक वैसी ही है

    • यह पहले ही हो चुका है
      GPT training cost model दर model exponential तरीके से बढ़ी है, और यह लाखों डॉलर के दायरे में है
      latest GPT-4 competitors Meta या Google हैं, इसकी अच्छी वजह है

  • दिलचस्प लेख है
    “Moore का दूसरा नियम”, या Rock का नियम, मानता है कि semiconductor fab की cost हर 4 साल में दोगुनी होती है; अगर यह सही बना रहा तो 30 साल के भीतर एक single fab की cost 3 ट्रिलियन डॉलर से ऊपर हो जाएगी
    इसका मतलब है कि आखिरकार सिर्फ economic reasons से ही node improvement पर एक मजबूत upper limit बन जाएगी

    • Sam Altman कुछ समय पहले chips के लिए 7 ट्रिलियन डॉलर जुटाने की कोशिश कर रहे थे, तो शायद वे उस curve से आगे निकलने की कोशिश कर रहे हों
    • यह calculation काफी accurate है, यह दिलचस्प है
      30 साल पहले Microsoft का market cap लगभग 20 अरब डॉलर था, और आज 3 ट्रिलियन डॉलर है
      वही चीज फिर हो जाए तो बिल्कुल अजीब नहीं होगा

  • काम के सिलसिले में मैं कई बड़े construction sites पर गया हूं
    जब कोई कहता है “यह 40 मिलियन डॉलर का project है” और आप ढेरों workers, equipment और materials को चलते देखते हैं, तो लगता है कि 40 मिलियन डॉलर को चलते हुए देखना शायद यही होता है

    • उस पैसे का बड़ा हिस्सा permits, administration और insurance में जाता है
      असल में जो दिखाई देता है वह शायद 10 मिलियन~20 मिलियन डॉलर है, जो bureaucracy में सफलतापूर्वक सोखा नहीं गया

  • Computer History Museum ने 2007 में TSMC founder Morris Chang के साथ oral history interview किया था
    Chang ने mainland China से Taiwan, फिर अमेरिका में पढ़ाई और नौकरी तक की अपनी personal history बताई; MIT PhD application में उन्हें reject कर दिया गया था, लेकिन किस्मत से वे तेजी से बढ़ती industry track पर चढ़ गए
    पर्याप्त wealth, industry insight और network बनाने के बाद वे Taiwan लौटे और TSMC की स्थापना की, और उसके बाद की कहानी मशहूर है
    उन्होंने Asia और America की engineering styles की भी तुलना की: उनके अनुसार Asian engineers ज्यादा systematic, पढ़ाकू और orderly होते हैं, जबकि American engineers ज्यादा innovative लेकिन कम systematic और कम orderly होते हैं
    साथ ही उन्होंने कहा कि innovative groups और systematic groups एक-दूसरे को complement कर सकते हैं
    https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2013/05/102658129-05-01-acc.pdf

  • थोड़ा related सवाल है: मुझे आश्चर्य है कि क्या Intel ASML से EUV equipment खरीदता है
    मेरा मतलब High-NA equipment नहीं, बल्कि normal EUV equipment से है
    online मुझे जवाब नहीं मिला, लेकिन Ireland का नया fab normal EUV range में लगता है

    • सभी को ASML से ही खरीदना पड़ता है, और चाहें तब भी waiting list है
      जबरदस्त complexity और cost की वजह से किसी realistic competitor के आने की संभावना लगभग नहीं है
      अरबों डॉलर के fabs किसी नई company के equipment के साथ experiment भी नहीं करेंगे
    • EUV equipment खरीदने की कोई दूसरी जगह नहीं है
      ASML दुनिया का अकेला supplier है
      Ireland के Fab 34 को दो साल पहले अपना पहला ASML EUV equipment मिला था
      High-NA EUV equipment इस generation के fab में जाने जैसा नहीं लगता, और पहला equipment कुछ महीने पहले Intel के development fab में deliver किया गया था

  • चरण 1: 20 अरब डॉलर जुटाएं
    चरण 2: 20 अरब डॉलर वाला semiconductor fab बनाएं
    https://knowyourmeme.com/memes/how-to-draw-an-owl