Intel, hem çip tasarımı hem de üretimi yapan özel ve ayrıca oldukça büyük bir şirket. Doğal olarak böyle bir bir silikon devi her gün kapılarını yabancılara açmıyor. Geleceğin teknolojileri gizli kapaklı odalarda, laboratuvarlarda üretiliyor ve test ediliyor.
- Kafa Ayarı sponsorumuz TurkNet’in bölgenizde sunduğu hızı sorgulamak için tıklayın.
Şirket kısa süre öncesinde Malezya’daki fabrikasının kapılarını teknoloji dünyasından belirli temsilcilere açtı. Intel Tech Tour olarak isimlendirilen tura biz de katıldık, burada çiplerin tasarım, doğrulama, sınıflandırma ve paketleme aşamalarını yakından gördük.
Intel’in Penang ve Kulim’de yonga ayırma, hazırlama, paketleme ve dahili test ekipmanlarının üretimi de dahil olmak üzere çeşitli montaj ve test süreçlerini gerçekleştiren birkaç fabrikası bulunmakta. Malezya, Intel’in 1972 yılında ABD dışında inşa edilen ilk tesisine ev sahipliği yapıyor. İlk montaj tesisi olan A1’de 5 dönümlük bir parsel üzerinde 100 çalışan görev yapıyordu. Intel’in Malezya’daki yatırımı şu anda Penang ve Kulim arasında bölünmüş 84 bin metre kare üretim alanında 15.000 çalışanı kapsıyor. Üretim alanı büyümeye devam ediyor ve Intel, devam eden genişlemeler tamamlandığında bu rakamı ikiye katlamayı planlıyor.
Tahmin edebileceğiniz gibi Intel’in paylaşabileceği ayrıntılar sınırlıydı. Ayrıca tesislerde kişisel cihazlarla fotoğraf ve video çekmek de yasaktı. Intel, mühendislerinin gezdirilen alanlarda dizüstü bilgisayar platformları da dahil olmak üzere işlemcilerine uygun donanımlarla çok sayıda test gerçekleştirdiğini söylüyor.
Bilgisayarlarınıza güç veren küçük çiplerin neden bilgisayarın en pahalı parçası olduğunu hiç merak ettiniz mi? Çip tasarımı, geliştirilmesinin yanı sıra tamamlanması aylar, hatta yıllar alan ve çok fazla insan gücü ve makine gerektiren karmaşık bir süreç. Intel ekibi, yaptığı ev sahipliğiyle bu süreçleri daha iyi anlamamıza yardımcı oldu. Şimdi kısaca genel olarak yonga üretim sürecinden bahsedelim, ardından Intel fabrikasındaki deneyimlerimize geçelim.
Çipler Nasıl Üretilir?
CPU’lar ve GPU’lar hayatlarına ultra saf silikondan yapılmış, tipik olarak 12 inç (300 mm) çapın biraz altında ve 0,04 inç (1 mm) kalınlığında büyük silikon disk plakalar (wafer adı veriliyor) olarak başlar.
Bu silikon yonga plakası bir dizi karmaşık aşamadan geçerek yalıtkanlar, dielektrikler ve metaller gibi farklı malzemelerden oluşan çok sayıda katmana dönüşür. Bu katmanların modelleri (kalıpları-desenleri), ultraviyole ışığın desenin büyütülmüş bir versiyonundan (bir maske) geçirildiği ve daha sonra lensler aracılığıyla gerekli boyuta küçültüldüğü fotolitografi adı verilen bir işlemle oluşturulur.
Model, yonga plakasının yüzeyi boyunca belirli aralıklarla tekrarlanır ve bunların her biri nihayetinde bir işlemci haline gelir. Çipler dikdörtgen, wafer ise dairesel yapıdadır. Bu nedenle yonga birimleri disk plakadan kesildikten sonra kenar kısımlar boşta kalır, yani çöpe atılır.
Üreticilerin işi yonga plakasıyla bittikten sonra her bir yonga kapsamlı testlerden geçer. Elektriksel inceleme sonuçları mühendislere işlemcinin uzun bir kriter listesine göre kalitesi hakkında bilgi verir. Çip gruplama olarak bilinen bu ilk aşama, işlemcinin “derecesini” belirlemeye yardımcı olur.
Örneğin kesilen çipin bir CPU olması amaçlanıyorsa, her parça belirli bir voltajda belirli bir saat hızı aralığında çalışarak doğru şekilde işlev görmeli. Her bir yonga plakası bölümü daha sonra bu test sonuçlarına göre kategorize edilmekte.
Tamamlandıktan sonra, yonga plakası kullanıma uygun ayrı parçalara veya “kalıplara” kesilir. Bu kalıplar daha sonra özel bir anakarta benzer şekilde bir alt tabaka üzerine monte edilir. İşlemci dağıtıma hazır hale gelmeden önce bazı ek işlemlerden geçer, buna da paketleme deniyor. Örneğin entegre ısı yayıcıların (IHS) montajı gibi.
Tüm bu süreç haftalar sürebilir. Intel ve TSMC gibi öncü yarı iletken şirketleri her bir wafer (silikon disk plaka) için kullanılan işlem teknolojisine bağlı olarak 3.000 ile 20.000 dolar arasında değişen yüksek ücretler talep edebilir. Bu miktarlar üretim teknolojilerine ve şirketlerin aralarında yaptığı anlaşmalara bağlı. Yüksek hacimli siparişler veren şirketler bazı indirimlerden faydalanabiliyor. Intel ise çiplerinin büyük kısmını kendi üretiyor. Teknoloji devi başta Arc GPU’lar olmak üzere son zamanlarda TSMC’nin dökümhanelerinden daha faydalanmaya başladı, görünüşe göre faydalanmaya devam edecek.
“Process node” olarak da tabir edilen işlem teknolojisi, tüm üretim sistemini tanımlamak için kullanılan bir terim. Yani sık sık duyduğunuz “5nm veya 3nm” gibi teknolojilerden bahsediyoruz. Tarihsel olarak bu teknolojiler transistörün kapı uzunluğuna göre adlandırıldı. Ancak üretim teknolojisi geliştikçe ve daha küçük bileşenlere izin verdikçe, isimlendirme artık kalıbın herhangi bir fiziksel yönünü takip etmiyor ve şimdi sadece bir pazarlama aracı haline geldi.
Bununla birlikte, her yeni süreç teknolojisi bir öncekine göre avantajlar sağlıyor. Üretimi daha ucuz olabilir, aynı saat hızında daha az güç tüketebilir (ya da tam tersi) veya daha yüksek bir yoğunluğa sahip olabilir. Örneğin transistörler daha küçük hale geldiğinden dolayı aynı alana, yani aynı yonga kalıbına daha fazla sayıda transistör sığdırabilirsiniz. Başka bir örnek olarak, daha küçük işlem teknolojileriyle üretilen aynı çip, önceki süreçlere göre enerji açısından daha verimlidir ve daha iyi performans sağlar. Aşağıdaki grafikte GPU’ların transistör yoğunluğu konusunda yıllar içindeki gelişimini görebilirsiniz.
Çip fabrikasyon teknolojilerindeki gelişmeler, mühendislerin büyük ve maliyetli çipler kullanmak zorunda kalmadan ürünlerinin yeteneklerini ve performansını artırmaları için bir araç sağlıyor.
Intel’in Malezya Operasyonları
Intel’in Malezya’daki tesisinde çipler işlemci olmadan önce sınıflandırılması, test edilmesi ve paketlenmesi gibi işlemler gerçekleştiriliyor. Bu süreçte çipin tüm yönlerinin tasarımla uyumlu olduğundan emin olmak için çeşitli koşullar ve kullanım durumları altında testler yapılıyor.
Teknoloji turu şirketin ilk silikon örnekleri üzerinde doğrulama testleri yaptığı PG16’nın Tasarım ve Geliştirme Laboratuvarında başladı. Ancak bu silikonların geldiği başka bir yer daha var. Süreç Kulim’deki Penang Köprüsü’nün karşısında, Çip Sınıflandırma-Hazırlama (Die Sort, Die Prep-KMDSDP) tesisinde başlıyor. Burası Raptor Lake ve yaklaşan Meteor Lake işlemcilerde kullanılan silikon kalıpların tutulduğu yer. Bahsettiğimiz tesiste dairesel yonga plakaları alınıyor, lazer kazıma ve yonga kesme gibi sayısız işlem yapılıyor.
İşin ilginç yanı, bu tesisin bir bölümü sürekli olarak özel bir sarı ışıkla aydınlatılıyor. Bunun nedeni ise yonga plakasını yerinde tutmak için kullanılan mylar bandın ultraviyole ışığa karşı son derece hassas olması. Mühendisler plakayı dışarıdan gelen güneşe veya ışığa maruz bırakacak olsalar, yapısal bütünlüğünü neredeyse anında kaybedecek ve yapışakn özelliği kaybolacak. Bu da mylar üzerine konulan wafer’ın kesildikten sonra çiplerin düşmesi anlamına geliyor ki bunu istemiyoruz.
Bildiğiniz gibi, temiz oda tesislerinden herhangi birine girmeden önce çeşitli seviyelerde koruyucu temiz oda kıyafetleri giyilmesi gerekiyor. Peki bu neden gerekli? Çip üretimi oldukça hassas bir süreç. Üretilen silikon disk plakalar küçük toz parçalarından bile zarar görebilir, çok sayıda yonga çöp olabilir. Sürekli olarak gördüğünüz bu kıyafetler ise insan vücudundan dökülebilecek her türlü şeye karşı bir önlem olarak giyiliyor.
Wafer’dan Çiplere
Intel, çip üretiminin her aşamasında yer alan az sayıdaki şirketten biri. Aşamalar kumun silikon yongalara dönüştürülmesi (ortak bir şirket tarafından) ve ardından tasarımın en son litografi süreci (yongadan yongaya değişiyor) kullanılarak aşındırılmasıyla başlıyor. Aşındırma işlemi tamamlandıktan sonra bu 300 mm’lik (tipik dairesel wafer boyutu) yonga plakaları üretim tesislerinden Kulim, Malezya’daki gibi kalıp hazırlama ve sınıflandırma operasyon tesislerine gönderiliyor.
Kalıp daha sonra taşlama, lazerle kazıma ve mekanik kesme gibi çeşitli yöntemler kullanılarak tek tek çiplere ayrılıyor. Bu çipler bir aktarım mekanizmasına yerleştiriliyor, 450 kilogramdan daha fazla ağırlıktaki özel şirket içi modül kullanılarak kusurlara karşı kontrol ediliyor ve sınıflandırılıyor. Ayrıca tüm süreç otomatik olarak gerçekleşiyor.
Şimdi daha fazla detaya inelim. Kalıp ayırma çok adımlı bir işlem. Öncelikle çip bölümleri lazerlerle önceden işaretlenmekte. Sonrasında tekilleştirme (singulation) adı verilen bir işlemle, yongaları tam anlamıyla testereyle ayıran başka bir makine devreye giriyor. Bu makine verimi artırmak için iki elmas uçlu bıçakla desteklenmekte. Bıçaklar plakayı temiz bir şekilde kesiyor, öte taraftan hem kalıntıların giderilmesine yardımcı olmak hem de termal genleşmenin hassas çiplere zarar vermesini önlemek için soğutulmuş su akan bir sistem devreye giriyor. Bütün olarak çip kesme sistemi, kesimlerin temiz ve hassas kalmasını sağlamak için bıçak bütünlüğü gibi faktörleri detaylıca izliyor.
Ayrıştırılan tekli yongaları farklı bir makine alıyor, ardından her bir kalıbı sistematik olarak Pick & Place (seçme ve yerleştirme) adı verilen bir tepsiye çıkarıyor. Robotik kol, daha sonra her bir kalıbı tepsi üzerinde belirlenmiş bir konuma yönlendiriyor.
Intel, bu tepsilerin tüm ürünlerinde etkin bir şekilde kullanıldığını söylüyor. Çiplerin yerleştirileceği soketler mevcut değil. Bunun yerine tepsinin yatağında altıgen bir delik ızgarasıyla delinmiş beyaz bir malzeme kullanılmış. Görünüşe göre malzeme çipler yerleştirilirken hafif bir emme basıncı sağlıyor ve bu da çiplerin yer aldığı tepsilerin sarsılmadan tesislerde taşınmasına olanak tanıyor.
Test ve Sınıflandırma
Intel, otobüs büyüklüğünde bir makine kullanarak kalıpları ayrı ayrı test ediyor. Bir bölümde her biri yaklaşık 450 kg ağırlığında yirmi test hücresi bulunuyor. Bunlar yaklaşık 1.5 metre genişliğinde, 1.5 metre derinliğinde ve 1 metre yüksekliğinde. Lotlar bir uçtan yükleniyor, ardından merkezdeki robotik bir sistem devasa bir otomat makinesine benzer bir şekilde mevcut test hücrelerine çip tepsileri dağıtıyor. Her test hücresi bir tepsiyi alıyor, ardından her birini test etmek ve karakterize etmek için tepsiye yerleştirilen çipler üzerinde otomatik olarak işlem yapıyor.
Test hücreleri bağımsız olarak çalışmakta, böylece herhangi bir birim farklı ürünleri test edebiliyor. Hatta bakım yapılmak istendiğinde her biri ayrı ayrı devre dışı bırakılabiliyor. Intel’in bu hücreleri gerektiğinde tesis içinde hareket ettirmek için kullandığı büyük bir kaldırma düzeneği de var. Bu düzenek zeminin hemen üzerinde yer alan bir hava yastığı üzerinde hareket ediyor ki hiçbir şey zarar görmesin. Şirket daha iyi bir yalıtım sağlamak için zeminin çoğunu plastik bir tabakayla kaplamış. Bu, test hücresinin ve düzeneğin ağırlığının zemine zarar vermesini önlüyor ve aynı zamanda manevra kabiliyeti sağlıyor.
Test süreçleri etkin bir şekilde otonom olarak yürütülmekte. Bir çalışanın aynı anda birkaç sıra test cihazını izleyebileceği istasyonlar kurulmuş. Çalışanlar, pratik şekilde birden fazla ekran üzerinden çok sayıda test cihazını takip edebiliyor. İzleme ve bakım dışında neredeyse her şeyi makineler yapıyor. Yani en azından sınıflandırma ve test adımlarında insan gücüne fazla ihtiyaç duyulmadığını söyleyebiliriz.
Ayrılan yongalar (yani çip partileri), otomatik yönlendirme araçları (automated guidance vehicle-AGV) tarafından test ekipmanı ve çevredeki depolama alanları arasında karıştırılıyor. Sistem, sürekli olarak hangi test hücrelerinin mevcut olduğunu ve ilk giren ilk çıkar esasına göre test yapmak yerine en yüksek verim potansiyeline sahip partilerin nereden seçileceğini değerlendiriyor. AGV denilen araçlar belirli rotası olmayan yollarda bağımsız olarak ilerliyor.
Test edilen tepsiler Pick & Place makinesinin yanındaki bir sarma makinesine (makara gibi) geri dönmekte. Bu noktada çipler karakterize edilmiş ve belirli bir modele göre gruplandırılmış hale geliyor. Tepsiler sıralanırken robotik bir kol her bir çipi ilgili modele göre farklı makaralara taşıyor. Ek olarak, makaralar çipleri iki kat bant arasına sıkıştırıyor ki zarar görmesinler. Testi geçemeyen kalıplar ise kenara ayrılıyor ve geri dönüşüm için toplanıyor.
Gelişmiş Paketleme Teknikleri ve Üretim
Makaralar buradan dünyanın dört bir yanındaki Intel Montaj ve Test (Assembly and Test) tesislerine gönderilmekte. Tesislerden biri de PGAT olarak bilinen ve Penang’da bulunan PG8 binasında yer alıyor.
Yongalar önce hizalanıyor ve istifleniyor, ardından entegre ısı dağıtıcı (IHS) termal arayüz malzemesi (TIM) ve yapıştırıcı ile yerine yerleştiriliyor. Öncesinde ise epoksi alt dolgu uygulanıp sertleştiriliyor. Daha önce belirttiğimiz gibi, Intel TSMC’ye de üretim yaptırıyor. Malezya’daki tesis yalnızca şirket üretilen işlemcilerle sınırlı kalmıyor, aynı zamanda TSMC gibi başka dökümhanelerde üretilen çiplerin paketlemesini de yapıyor.
Devamındaki Chip Attach (Çip Birleştirme-Bağlama) süreci, bileşenleri bir alt tabaka üzerine yerleştirmek için flip-chip paketleme ile başlıyor. Her bir çipin yüzeyine yüzlerce ya da binlerce mikroskobik lehim topu yerleştiriliyor ve bunlar bir sonraki çip ya da alt tabaka katmanıyla eşleşiyor.
Bu esnada Foveros‘tan da bahsedelim. Yongalar arası çok boyutlu bağlama tekniği Foveros, Intel’in yongaları üst üste üç boyutlu şekilde yerleştirerek tek bir paket haline getirmesine imkan tanıyor. Bu teknik ilk olarak Lakefield serisiyle kullanılmıştı.
Yapıştırıldıktan sonra katmanlar arasında küçük hava boşlukları kalabilir. Intel, stabiliteyi artırmak için bir epoksi alt dolgu uyguluyor ve gerilimlerin kalıp boyunca eşit olarak dağıtılmasını sağlıyor. Tekilleştirme sırasında çift testere bıçağında olduğu gibi Intel burada da verimi artırmak için iki epoksi dağıtım nozülü kullanabiliyor. Emme ya da başka bir şeye gerek yok, Intel malzemenin akması için tek gereken şeyin kılcal hareketler olduğunu söylüyor. Çipler daha sonra epoksi dolgusunda boşluk olup olup olmadığını kontrol etmek için taramadan geçmekte.
Paket artık işlemcilerin üzerinde sürekli gördüğümüz entegre ısı yayıcının (IHS) takılabilmesi için hazır halde. Her çip tasarımında kullanılan belirli bir TIM (Termal Arayüz Malzemesi) var. Makine termal malzemeyi düzenli bir şekilde etrafa yayıyor. IHS’yi monte etmek için yapıştırıcı dağıtılıyor, ardından IHS yerine yerleştiriliyor ve sağlam olması için sert hale getiriliyor.
Çiplerin Test Edilmesi
Üretim kalitesi döngü boyunca yakından izlenirken, Intel ürettiği her işlemci üzerinde son yanma ve test işlemlerini gerçekleştiriyor. Penang’daki PG16’da bulunan Tasarım ve Geliştirme Laboratuvarı’nda testlerin çeşitli aşamalarına yakından baktık. Bu laboratuvar, bir ürünün her yönünü araştırmak için test ekipmanıyla dolu sıra sıra raflardan oluşuyor.
İlk olarak Intel’in kusurları ayıklamak için çipleri yüksek sıcaklıklara ve voltajlara maruz bıraktığı “burn-in (yanma)” adı verilen işlem gerçekleştirildi. Bu süreçten sağ çıkan çipler daha sonra Intel’in tüm izlerin ve diğer özelliklerin amaçlandığı gibi çalıştığını doğruladığı eksiksiz bir elektrik testine tabi tutulmakta.
Halen bitmedi. Şirket görevlileri daha sonra her bir çipi son tüketicilere hazır hale getirmek amacıyla ayrı bir test ortamına sokuyor. Bu adımda bir dizi işletim sistemi ve çeşitli platform testleri gerçekleşiyor. Bellek, PCIe şeritleri ve diğer çip dışı sistemler gibi her şey burada değerlendiriliyor.
Test ekipmanları mümkün olduğunca geniş ürün yelpazesini destekleyecek şekilde üretiliyor. Örneğin ekipman bir dizi CPU soketini barındıracak, birçok ürüne uygun olacak şekilde üretiliyor. Böylece test aşamalarında cihazın karşısına gelen farklı ürünler hızlıca test edilebiliyor.
Tur sırasında bizlere Yüksek Yoğunluklu Yakma (HDBI) Test Cihazı, Yüksek Yoğunluklu Modüler Test Cihazı (HDMT) ve Sistem Seviyesi Test Cihazı (SLT) gibi bazı özel ekipmanlar gösterildi. HDBI, akan voltajın yanı sıra pakete uygulanan sıcaklığı hassas bir şekilde kontrol edebiliyor.
HDMT, Intel’in CPU’ları için sınıf veya arka uç testi sağlamak üzere üretilmiş. Bu cihaz CPU’ya özgü bir sokete sahip kartı bir arayüz aracılığıyla daha büyük yeşil bir muhafaza birimiyle birleştiriyor. Muhafaza, farklı platform işlevlerini test etmek için gerektiğinde bir dizi yuva kartıyla desteklenebiliyor. Intel mühendisleri sadece birkaç adımda HDMT’yi farklı bir ürün veya test konfigürasyonu için yeniden yapılandırabiliyor. Bu ekipman ürün geliştirme ve üretim aşamalarında kullanılmakta.
Son olarak SLT, Intel’in müşteri benzeri test ortamı için kullanılıyor. Bunlar daha sonra yine verimi en üst düzeye çıkarmak ve kapladıkları alanı en aza indirmek için bir rafta 4’lü gruplar halinde saklanabiliyor.
Test Ekipmanlarını da Intel Geliştiriyor
Turumuzun sonuna doğru Intel’in bazı özel test ekipmanlarının nerede ve nasıl yapıldığını gördük. Kulim’deki Intel Sistem Entegrasyon ve Üretim Hizmetleri (SIMS) tesisi, silikonu test etmek ve doğrulamak için kullanılan ekipmanların yapımından sorumlu. Bunların üretimi gizlilik açısından çok önemli. Mavi takım eğer test ekipmanlarını farklı şirketlerden tedarik etseydi, üretim süreçlerinin hiçbir gizli yönü kalmazdı.
Öte yandan, Intel kendi işine yarayacak PCB’lerin üretimini de yapmakta. Temsilcilere göre bu sürecin büyük bir kısmı otomatik hale getirilmiş, ancak yine de Intel çalışanları bazı bileşenleri eliyle monte ediyor ve gerektiğinde lehimlemeleri için istasyonlar kullanılıyor.
Arızalı Çipler
Kesilen bazı çipler arızalı veya verimsiz olabilir. Hatta üretim sürecinin farklı aşamalarında test sırasında çipler arızalanabilir. Yarı iletken şirketleri, ilk silikon örneklerinden yüksek hacimli üretime kadar, tasarım sorunlarını düzeltmek ve verimi en üst düzeye çıkarmak için milyonlarca dolar yatırım yapmakta. Intel’in Arıza Analiz Laboratuvarı (Failure Analysis Lab-FAL) ise arızaları teşhis etmek ve kök neden analizi (RCA) gerçekleştirmek için benzersiz araçlarla donatılmış.
Buradaki iş akışı ürüne ve arızaya bağlı olarak değişebilir, ancak amaç mümkün oldukça temelden başlamak. İşlevini tamamen yitirmiş bir çip için konuşacak olursak, yanlış hizalanmış lehim bilyelerini tespit etmek için mikroskobik görüntüleme veya katmanlar içindeki kusurları bulmak için çipin iç kısmının ultrasonik taraması yapılabilir. Bunun dışında, tesis çalışanları paket üzerindeki farklı temas noktalarına mikroproblar uygulayabilir, ardından kısa devre yerlerini belirlemek için termal kamera ile izleyebilir. Bir arıza tespit edildiğinde ise dilimleme veya taşlama gibi işlemlere geçebilirler.
Ancak sorun daha detaylı olabilir. Intel, hatalı bir çip örneğinin sebep olduğu grafik hatalarını gösterdi. Sorunlu çip nedeniyle sahnenin bir bölümünde parlak flaşlar belirmekteydi.
