De la oblea a su PC: detrás de la cortina de algunas de las instalaciones de fabricación más avanzadas de Intel

Ensayo, clasificación, embalaje y ensayo. Y luego algunas pruebas más.

El mundo de la fabricación de semiconductores es opaco. Los entusiastas entienden qué es una CPU y qué hace, pero los pasos y procesos reales involucrados en su fabricación son mucho menos comprendidos por cualquiera que no tenga uno o dos títulos avanzados en ingeniería. Entonces, cuando Intel me invitó a visitar sus instalaciones en Penang, Malasia, para aprender más sobre la magia de la fabricación de chips, acepté con mucho gusto.

En términos generales, las instalaciones de Intel en Malasia incluyen áreas que cortan y clasifican las obleas entrantes, las ensamblan e instalan en sustratos antes de que tomen su forma final. En todas las etapas hay pruebas y más pruebas antes de seguir probándolas. También nos invitaron a visitar laboratorios que analizan troqueles y chips fallidos, e incluso uno que construye equipos de prueba para las fábricas de Intel en todo el mundo. Además, hay un laboratorio que prueba los equipos de prueba.

Uno de los representantes de Intel con el que hablé lo llamó la fabricación más avanzada del planeta y es difícil discutir eso. Por supuesto, hay cosas como computadoras cuánticas o reactores de fusión en la vanguardia de la investigación científica, pero no están en la etapa de fabricación.

Y de todos modos, toda la I+D que se dedica a esas cosas necesita de todo, desde portátiles hasta supercomputadoras. Y eso significa que necesitan chips como los que pasan por instalaciones como las de Malasia. Es un trabajo importante. Sin chips ni transistores, todo se paraliza.

La tecnología, la ciencia, la investigación y el desarrollo, la ingeniería y, francamente, la magia de todo ello pueden parecer de otro mundo.

A nivel personal, la fabricación de semiconductores me parece absolutamente fascinante. La tecnología, la ciencia, la investigación y el desarrollo, la ingeniería y, francamente, la magia de todo ello pueden parecer de otro mundo. Estoy agradecido por la oportunidad de echar un vistazo detrás de la cortina y comprender lo que implican estos pequeños fragmentos mágicos de tecnología.

La gira estuvo compuesta por dos partes. Bueno, tres en realidad. El primer día de la gira consistió en una visita a las instalaciones de prueba y ensamblaje de Intel en Penang (PGAT). El nombre delata su propósito. Esta instalación toma los troqueles entrantes y los monta en sus sustratos de PCB, antes de aplicar el material de interfaz térmica o la soldadura, seguido de los disipadores de calor. El segundo día implicó un viaje al continente de Malasia para visitar las instalaciones de clasificación y preparación de Kulim.

Para este artículo, lo dividí principalmente según la etapa de fabricación en lugar de cronológicamente. En muchos lugares no se nos permitía grabar nada ni siquiera llevar una libreta, así que espero que mi caché cerebral no haya fallado.

Como parte de la gira, Intel expuso su visión y planes para los próximos años. Se refiere a su plan como IDM 2.0 (fabricante de dispositivos integrados). Después de haber dejado caer la pelota con su lanzamiento demasiado ambicioso de 10 nm seguido de las consecuencias de la pandemia, la compañía ciertamente necesitaba un reinicio.

Eso significa construir cadenas de suministro sostenibles y resilientes y adoptar procesos de fabricación que se escalen de manera efectiva. Luego está el uso de fundiciones externas cuando sea apropiado y la introducción de Intel Foundry Services, donde los clientes sin fábrica pueden acceder a la experiencia en fabricación de Intel.

Mucho de esto suena un poco amigable con las relaciones públicas, pero está claro que Intel ha estado ejecutando esta estrategia durante algún tiempo. Solo mire cuánto dinero está invirtiendo en varios sitios alrededor del mundo, cortejando clientes y esforzándose por alcanzar a TSMC en liderazgo en fabricación.

El agresivo objetivo de Intel es lograr cinco nodos en cuatro años. Intel 7 ya está en plena producción, mientras que Intel 4 (utilizado por Meteor Lake) está aumentando. Intel 3 es entonces una evolución de Intel 4, mientras que se planea que Intel 20A y 18A estén listos para su fabricación en 2024. Eso significa que nos estamos acercando a la era angstrom, con la fabricación por debajo de 1 nm (10A) ya en desarrollo.

Con la cantidad de dinero desperdiciada, más una dosis de proteccionismo por parte de los gobiernos, no apostaría a que Intel alcance a TSMC más temprano que tarde.

Oh, ¿has oído hablar de la IA? Es una cosa aparentemente. Intel está apostando por un ecosistema abierto y eventualmente verá que la IA se democratiza y se convierte en una parte omnipresente no solo de las aplicaciones de nube y LLM, sino también de la informática cotidiana.

Las instalaciones de Intel en Kulim están ubicadas en Malasia continental. Aquí es donde se procesan, preparan y clasifican las obleas entrantes antes de enviarlas a instalaciones de ensamblaje en todo el mundo.

Las instalaciones de Kulim albergan una instalación de fabricación e integración de sistemas. Produce placas y equipos de prueba para fábricas, fábricas y laboratorios de Intel en todo el mundo. En esencia, es una instalación para construir y probar equipos de prueba.

Ubicación:Kulim, MalasiaAbrió:1995Objetivo:Preparación y clasificación de troqueles de gran volumenProcesadores de consumidores ordenados aquí:Procesadores Core de 12.ª y 13.ª generación, Meteor Lake

Las instalaciones de Intel en Malasia no incluyen una planta de fabricación de obleas. Las obleas se envían a Malasia desde cualquiera de las diversas fábricas de EE. UU., Irlanda o Israel. Para tener una idea de lo que sucede en una fábrica, vale la pena consultar el artículo de Jacob, escrito después de una visita a las plantas de Intel en Israel el año pasado.

Las obleas llegan a lo que Intel llama KMDSDP, o planta Kulim Die Sort Die Prep. Las obleas típicas de 300 mm se cortan progresivamente mediante un proceso que incluye trazado láser y corte mecánico con hojas de sierra de diamante. Suena bastante rudimentario pero incluso esto se hace con absoluta precisión. Desde allí, las matrices pasan a las operaciones de clasificación.

Una vez que se han cortado las obleas, los troqueles se someten a pruebas para determinar en qué quedarán. Para usar los chips Rocket Lake de 13.a generación como ejemplo, los troqueles deben probarse y clasificarse para determinar si un troquel en particular terminará como un i9 13900, 13900K o 13900KS.

Las máquinas que realizan esta clasificación son piezas de tecnología asombrosas en sí mismas. Hay fila tras fila de ellos. Cada uno pesa 1000 libras. Son un poco como aerodeslizadores, sentados sobre un colchón de aire para facilitar el movimiento, en caso de que una unidad requiera mantenimiento. Vimos cómo uno era fácilmente empujado con un mecanismo elevador, manejado por solo dos personas.

Cada troquel se prueba conectándolo a una tarjeta sonda que contiene miles de agujas más delgadas que un cabello humano. Una vez que los chips se prueban, pasan al ensamblaje PGAT y a la fábrica de pruebas antes de que tomen la forma de los chips que conocemos y amamos.

Para acceder a esta parte de las instalaciones de prueba y ensamblaje de Intel en Penang (PGAT), tuvimos que vestirnos para cumplir con los requisitos de la sala limpia. Una de estas amplias salas limpias alberga maquinaria que instala matrices entrantes en sus sustratos.

Ubicación:Penang, MalasiaAbrió:1972Objetivo:Ensamblaje y pruebas de chips de gran volumenProcesadores de consumidores reunidos aquí:Procesadores Core de 12.ª y 13.ª generación, Meteor Lake

Solía ​​ser que los troqueles monolíticos se podían colocar sobre un sustrato y eso era más o menos eso, pero con los diseños de chiplets modernos (o mosaicos en el lenguaje de Intel) el proceso de ensamblaje es mucho más complicado. Comience a agregar apilamiento 3D y la tecnología Foveros de Intel a la mezcla, y el ensamblaje es obviamente una parte crítica del proceso de fabricación del chip.

Solo eche un vistazo a una GPU de cómputo Intel Ponte Vecchio a continuación. Quizás sea el procesador más ambicioso de la historia de Intel. Incluye 47(!) mosaicos, cinco nodos de proceso diferentes y más de 100 mil millones de transistores en un sustrato.

Cuando hablamos de tecnología de chips, a menudo nos referimos a la litografía y los nodos, pero el empaque de los chips merece la misma atención, y eso también se aplica a AMD con sus diseños de chiplets Zen. Tomar todos estos mosaicos, con una combinación de nodos e incluso fabricantes, lograr que se comuniquen entre sí mientras mantienen la integridad de la señal, a escala y con toda su funcionalidad intacta es un logro enorme. Bien hecho Intel.

Una vez que las virutas están adheridas a sus sustratos, se les aplica un material epoxi. Esto garantiza que los troqueles estén 100 % nivelados, lo que garantiza que las tensiones físicas se distribuyan uniformemente entre los troqueles. En la imagen de arriba puedes ver chips de Ponte Vecchio con y sin el epoxi aplicado.

Luego, los chips se dejan reposar por un tiempo antes de unir el material de interfaz térmica o la soldadura y se instala el disipador de calor (cuando corresponda). Luego son enviados a una serie de pruebas.

Las instalaciones de PGAT albergan laboratorios de diseño y desarrollo, un laboratorio de análisis de fallas y áreas para probar chips en varias etapas de producción, incluidas pruebas que incorporan cargas de trabajo típicas del usuario final.

Los chips ensamblados se envían a una parte de la fábrica de PGAT para confirmar si el ensamblaje fue exitoso. Lo primero es una prueba de quemado. Las máquinas castigan los chips con altas temperaturas de más de 100°C y tensiones hasta los límites de las especificaciones.

Después de la prueba de funcionamiento, se realizan una serie de pruebas eléctricas, que implican pruebas de la funcionalidad del chip y una verificación para garantizar que las pistas y el sustrato funcionan como deberían.

Si eso tiene éxito, los chips pasarán a ser probados en el mundo real. Los chips se montan en plataformas de prueba que comienzan a parecerse a la PC que conocemos y amamos. Estas plataformas de prueba construidas internamente utilizan diferentes sistemas operativos y software para imitar el uso en el mundo real. Vi 3DMark haciendo bucles en una serie de sistemas. Casi esperaba ver a un ingeniero jugando a Baldur's Gate 3. ¡Para fines de investigación y pruebas, por supuesto!

Por mucho que a Intel le gustaría que así fuera, no todos los chips salen de fábrica en perfecto estado de funcionamiento. Sin embargo, eso no significa que los que fracasaron estén completamente muertos. Quizás las pruebas revelen una anomalía, una falla de funcionalidad o algo que requiera análisis. En ese caso, se envían al laboratorio de análisis de fallos de Intel.

Este laboratorio es un poco más pequeño que los vastos espacios comunes al resto de las instalaciones, pero no es menos atractivo. Intel cuenta con todo tipo de equipos avanzados para realizar pruebas de fallas. Están las inspecciones visuales obvias mediante microscopios o pruebas eléctricas con osciloscopios, pero también hay equipos de imágenes térmicas más avanzados.

Una de las cosas más interesantes de toda la gira fue ver una especie de máquina de prueba de ondas de sonar ultrasónicas que consiste en colocar el chip en agua.

Ahora es un buen momento para mencionar que no se nos permitía tomar fotografías dentro de ninguna de estas instalaciones, y de hecho no se nos permitía llevar teléfonos, relojes o billeteras.

Y me lamento no haber visto esto de primera mano, pero aparentemente había al menos una GPU Battlemage a la vista en este laboratorio. Esta es una GPU Intel de próxima generación, y es una buena señal que estén en etapa de producción y siendo analizadas. Indicaría que la gama de tarjetas gráficas de próxima generación de Intel está absolutamente encaminada para su lanzamiento en 2024.

Bueno, siempre y cuando los fracasos no sean de gran escala.

Fábricas como esta necesitan muchos equipos personalizados. Las máquinas utilizadas para la fabricación y la producción son equipos de precisión finamente calibrados. No es el tipo de cosas que puedes meter en una caja y enviárselas a quien las haya creado.

Intel tiene una división que llama Servicios de fabricación e integración de sistemas (SIMS). Su objetivo es fabricar equipos para probar y validar los chips en muchas etapas del proceso. Todos los bancos de pruebas posteriores al montaje, como el que se ve a continuación, se fabrican internamente.

Incluso hay una sección del plan que prueba el equipo de prueba. Por si no lo sabías, ¡hay muchas pruebas de todo!

Un par de ejemplos de equipos de prueba personalizados de Intel incluyen máquinas que realizan pruebas de estrés mientras que otra realiza pruebas de backend. La siguiente imagen muestra una máquina personalizada utilizada para probar componentes relacionados con la energía. Recuerdo que la PCB era enorme y muy gruesa. Puedes ver qué tan grueso es a la derecha en la imagen de abajo. Me estremezco al pensar cuánto valdría cada uno de estos.

Cuando comencé a escribir esto, deseé que me hubieran permitido llevar un cuaderno. No para poder pasar secretos comerciales a AMD, ¡sino para poder recordar las enormes cantidades de información que nos dieron!

Pero aparte de eso, el viaje fue increíble. Como crítico, este tipo de conocimiento del proceso de fabricación fue invaluable, tanto a nivel personal como profesional. Me gusta pensar que entiendo bastante bien las CPU, pero ver la magnitud de las operaciones de Intel fue una verdadera revelación.

La siguiente imagen muestra uno de los muchos robots semiautónomos que se desplazan por el área de preparación y clasificación de troqueles. Emitía un timbre musical atractivo y constante. Llevan varios troqueles u obleas de una zona de la fábrica a otra, ¡siempre con una sonrisa!

Me gusta pensar que entiendo bastante bien las CPU, pero ver la magnitud de las operaciones de Intel fue una verdadera revelación.

Arthur C. Clarke es recordado por sus tres "leyes". El tercero dice: "Cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia".

Quienes están dentro de Intel dirían que todo es ingeniería avanzada y, sinceramente, tienen razón. Pero después de ver lo que hacen estas personas de primera mano, seguramente tiene que haber un poco de magia involucrada. Si no es así, entonces iré con extraterrestres.

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Las experiencias de juego de Chris se remontan a mediados de los noventa, cuando engañó a sus padres para que compraran una "PC educativa" que estaba convenientemente dominada para jugar Doom y Tie Fighter. Desarrolló un amor por el overclocking extremo que destruyó sus ahorros a pesar del hardware más barato que se ofrecía en su trabajo en una tienda de PC. Para permitirse más LN2, comenzó a trabajar como revisor de VR-Zone antes de saltar la valla para trabajar para MSI Australia. Desde entonces, ha vuelto al periodismo, revisando con entusiasmo los últimos y mejores componentes para PC & Tech Authority, PC Powerplay y, actualmente, la revista Australian Personal Computer y PC Gamer. Chris todavía dedica demasiadas horas a Borderlands 3, siempre esforzándose por convertirse en un asesino más eficiente.

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