Vom Wafer bis zu Ihrem PC: Hinter den Kulissen einiger der modernsten Fertigungsanlagen von Intel

Prüfen, Sortieren, Verpacken und Testen. Und dann noch ein paar Tests.

Die Welt der Halbleiterfertigung ist undurchsichtig. Enthusiasten verstehen, was eine CPU ist und was sie tut, aber die tatsächlichen Schritte und Prozesse, die bei ihrer Herstellung involviert sind, werden von niemandem verstanden, der nicht über einen oder zwei fortgeschrittene Ingenieursabschlüsse verfügt. Als Intel mich daher einlud, seine Einrichtungen in Penang, Malaysia, zu besuchen, um mehr über die Zauberei der Chipherstellung zu erfahren, nahm ich die Einladung gerne an.

Im Großen und Ganzen umfassen Intels malaysische Anlagen Bereiche, in denen eingehende Wafer geschnitten und sortiert, zusammengebaut und auf Substraten installiert werden, bevor sie ihre endgültige Form annehmen. In allen Phasen gibt es Tests und weitere Tests, bevor sie weiter getestet werden. Wir wurden auch eingeladen, Labore zu besuchen, die ausgefallene Chips und Chips analysieren, und sogar eines, das Testgeräte für Intel-Fabriken auf der ganzen Welt baut. Darüber hinaus gibt es ein Labor, das die Testgeräte testet.

Einer der Intel-Vertreter, mit dem ich gesprochen habe, nannte es die fortschrittlichste Fertigung auf dem Planeten, und dem kann man kaum widersprechen. Natürlich gibt es Dinge wie Quantencomputer oder Fusionsreaktoren, die auf dem neuesten Stand der wissenschaftlichen Forschung sind, aber sie befinden sich noch nicht im Herstellungsstadium.

Und überhaupt, für die gesamte Forschung und Entwicklung, die in diese Dinge gesteckt wird, wird alles benötigt, von Laptops bis hin zu Supercomputern. Und das bedeutet, dass sie Chips brauchen, wie sie Anlagen wie die in Malaysia durchlaufen. Es ist eine wichtige Arbeit. Ohne Chips und Transistoren kommt praktisch alles zum Stillstand.

Die Technologie, die Wissenschaft, die Forschung und Entwicklung, das Ingenieurwesen und, ehrlich gesagt, die Zauberei können jenseitig wirken.

Persönlich finde ich die Halbleiterfertigung absolut faszinierend. Die Technologie, die Wissenschaft, die Forschung und Entwicklung, das Ingenieurwesen und, ehrlich gesagt, die Zauberei können jenseitig wirken. Ich bin dankbar für die Gelegenheit, einen Blick hinter die Kulissen zu werfen und zu verstehen, was in diesen magischen kleinen Teilen der Technologie steckt.

Die Tour bestand aus zwei Teilen. Na ja, eigentlich drei. Der erste Tag der Tour bestand aus einem Besuch der Penang Assembly and Test Facility (PGAT) von Intel. Der Name verrät seinen Zweck. Diese Anlage nimmt die eingehenden Chips auf und montiert sie auf ihren PCB-Substraten, bevor thermisches Schnittstellenmaterial oder Lot aufgebracht wird, gefolgt von Wärmeverteilern. Der zweite Tag beinhaltete eine Reise zum malaysischen Festland mit einem Besuch der in Kulim ansässigen Sortier- und Stanzvorbereitungsanlagen.

Für diesen Artikel habe ich ihn größtenteils nach Herstellungsstadium und nicht chronologisch aufgeteilt. An vielen Orten durften wir nichts aufzeichnen oder gar ein Notebook bei uns tragen, also hoffe ich, dass mein Gehirn-Cache nicht versagt hat.

Im Rahmen der Tour stellte Intel seine Vision und Pläne für die nächsten Jahre vor. Es bezeichnet seinen Plan als IDM 2.0 (Integrated Device Manufacturer). Nachdem das Unternehmen mit seiner zu ehrgeizigen 10-nm-Einführung und den Folgen der Pandemie den Ball fallen ließ, musste es auf jeden Fall neu gestartet werden.

Das bedeutet den Aufbau nachhaltiger, belastbarer Lieferketten und die Einführung effektiv skalierbarer Herstellungsprozesse. Dann gibt es gegebenenfalls die Nutzung externer Gießereien und die Einführung von Intel Foundry Services, bei denen Fabless-Kunden auf Intels Fertigungskompetenz zugreifen können.

Vieles davon klingt ein wenig PR-freundlich, aber es ist klar, dass Intel diese Strategie schon seit einiger Zeit umsetzt. Schauen Sie sich nur an, wie viel Geld das Unternehmen in verschiedene Standorte auf der ganzen Welt investiert, Kunden umwirbt und versucht, mit TSMC in der Fertigungsführerschaft gleichzuziehen.

Intels ehrgeiziges Ziel besteht darin, in vier Jahren fünf Knoten zu erreichen. Intel 7 ist bereits in voller Produktion, während Intel 4 (von Meteor Lake verwendet) in der Hochlaufphase ist. Intel 3 ist dann eine Weiterentwicklung von Intel 4, während Intel 20A und 18A voraussichtlich im Jahr 2024 produktionsreif sein werden. Das bedeutet, dass wir uns der Angström-Ära nähern, da bereits eine Fertigung unter 1 nm (10 A) entwickelt wird.

Angesichts der Menge an Geld, die herumgeworfen wird, und einer Portion Protektionismus seitens der Regierungen würde ich nicht dagegen wetten, dass Intel eher früher als später zu TSMC aufschließen wird.

Oh, haben Sie schon von KI gehört? Es ist anscheinend eine Sache. Intel setzt auf ein offenes Ökosystem und sieht schließlich, dass KI demokratisiert wird und ein allgegenwärtiger Bestandteil nicht nur von Cloud- und LLM-Anwendungen, sondern auch Teil des alltäglichen Computings wird.

Die Kulim-Einrichtungen von Intel befinden sich auf dem malaysischen Festland. Hier werden eingehende Wafer verarbeitet, vorbereitet und sortiert, bevor sie an Montageanlagen auf der ganzen Welt verschickt werden.

Die Anlage in Kulim beherbergt eine Systemintegrations- und Produktionsanlage. Das Unternehmen produziert Testgeräte und Boards für Intel-Fabriken, -Fabriken und -Labore weltweit. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Einrichtung zum Bau und Test von Testgeräten.

Standort:Kulim, MalaysiaGeöffnet:1995Zweck:Vorbereitung und Sortierung von Werkzeugen für große VoluminaVerbraucherverarbeiter hier sortiert:Core-Prozessoren der 12. und 13. Generation, Meteor Lake

Zu Intels Werken in Malaysia gehört keine Wafer-Fertigungsanlage. Die Wafer werden von verschiedenen Fabriken in den USA, Irland oder Israel nach Malaysia verschifft. Für einen Einblick in das, was in einer Fabrik passiert, lohnt es sich, Jacobs Artikel zu lesen, der nach einem Besuch in Intels israelischen Werken im letzten Jahr verfasst wurde.

Die Wafer kommen in der von Intel so genannten KMDSDP- oder Kulim Die Sort Die Prep-Anlage an. Typische 300-mm-Wafer werden nach und nach durch einen Prozess zerschnitten, der Laserritzen und mechanisches Schneiden mit Diamantsägeblättern umfasst. Es klingt ziemlich rudimentär, aber auch das geschieht mit absoluter Präzision. Von dort gelangen die Matrizen in die Sortierung.

Sobald die Wafer geschnitten sind, durchlaufen die Matrizen Tests, um festzustellen, wie sie am Ende aussehen. Um als Beispiel Rocket-Lake-Chips der 13. Generation zu verwenden: Die Chips müssen getestet und sortiert werden, um festzustellen, ob ein bestimmter Chip am Ende ein i9 13900, 13900K oder 13900KS sein wird.

Die Maschinen, die diese Sortierung durchführen, sind für sich genommen schon erstaunliche technische Geräte. Es gibt eine Reihe nach der anderen. Jeder wiegt 1000 Pfund. Sie ähneln Luftkissenfahrzeugen, die auf einem Luftkissen sitzen und sich leicht bewegen lassen, falls eine Einheit gewartet werden muss. Wir haben gesehen, dass einer mit einem Hebemechanismus leicht herumgeschoben werden konnte und nur von zwei Personen gehandhabt werden konnte.

Jeder Würfel wird getestet, indem er mit einer Prüfkarte verbunden wird, die Tausende von Nadeln enthält, die dünner als ein menschliches Haar sind. Sobald die Chips getestet sind, gelangen sie in die PGAT-Montage- und Testfabrik, bevor sie die Form der Chips annehmen, die wir kennen und lieben.

Um Zugang zu diesem Teil der Intel Penang Assembly and Test Facility (PGAT) zu erhalten, mussten wir uns entsprechend den Reinraumanforderungen kleiden. In einem dieser riesigen Reinräume sind Maschinen untergebracht, die eingehende Chips auf ihren Substraten installieren.

Standort:Penang, MalaysiaGeöffnet:1972Zweck:Chipmontage und -prüfung in großen StückzahlenHier zusammengestellte Verbraucherprozessoren:Core-Prozessoren der 12. und 13. Generation, Meteor Lake

Früher konnten monolithische Chips auf ein Substrat geschlagen werden, und das war auch so ziemlich alles, aber bei modernen Chiplet-Designs (oder Kacheln im Intel-Sprachgebrauch) ist der Montageprozess viel komplizierter. Fügen Sie dem Mix 3D-Stacking und die Foveros-Technologie von Intel hinzu, und die Montage ist offensichtlich ein kritischer Teil des Chipherstellungsprozesses.

Werfen Sie unten einen Blick auf eine Rechen-GPU von Intel Ponte Vecchio. Es ist vielleicht der ehrgeizigste Prozessor in der Geschichte von Intel. Es verpackt 47(!) Kacheln, fünf verschiedene Prozessknoten und über 100 Milliarden Transistoren auf einem Substrat.

Wenn wir über Chip-Technologie sprechen, beziehen wir uns oft auf Lithographie und Knoten, aber die Chip-Verpackung verdient ebenso viel Aufmerksamkeit, und das gilt auch für AMD mit seinen Zen-Chiplet-Designs. Es ist eine enorme Leistung, alle diese Kacheln mit einer Mischung aus Knoten und sogar Herstellern dazu zu bringen, miteinander zu kommunizieren und gleichzeitig die Signalintegrität in großem Maßstab und mit intakter Funktionalität aufrechtzuerhalten. Gut gemacht, Intel.

Sobald die Chips auf ihren Substraten befestigt sind, wird ein Epoxidmaterial aufgetragen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Matrizen zu 100 % eben sind und die physikalischen Belastungen gleichmäßig auf die Matrizen verteilt werden. Im Bild oben sehen Sie Ponte-Vecchio-Chips mit und ohne aufgetragenem Epoxidharz.

Anschließend werden die Chips zur Ruhe geschickt, bevor das Wärmeleitmaterial oder das Lot angebracht und der Wärmeverteiler (falls zutreffend) installiert wird. Dann werden sie zu einer Flut von Tests geschickt.

Die PGAT-Einrichtung beherbergt Design- und Entwicklungslabore, ein Fehleranalyselabor und Bereiche zum Testen von Chips in verschiedenen Produktionsphasen, einschließlich Tests, die typische Arbeitslasten von Endbenutzern umfassen.

Die zusammengebauten Chips werden an einen Teil der PGAT-Fabrik geschickt, um zu bestätigen, ob die Montage erfolgreich war. Zunächst erfolgt ein Einbrenntest. Maschinen bestrafen die Chips mit hohen Temperaturen von über 100 °C und Spannungen bis zu den Grenzen der Spezifikation.

Nach dem Einbrenntest wird eine Reihe elektrischer Tests durchgeführt. Dazu gehören Tests der Funktionalität des Chips und eine Überprüfung, um sicherzustellen, dass die Leiterbahnen und das Substrat ordnungsgemäß funktionieren.

Wenn dies erfolgreich ist, werden die Chips in der realen Welt getestet. Chips werden auf Testplattformen montiert, die so etwas wie der PC ähneln, den wir kennen und lieben. Diese selbst entwickelten Testplattformen verwenden unterschiedliche Betriebssysteme und Software, um den realen Einsatz nachzuahmen. Ich habe 3DMark auf einer Reihe von Systemen in einer Schleife gesehen. Ich hatte halb damit gerechnet, einen Ingenieur zu sehen, der Baldur's Gate 3 spielt. Natürlich zu Forschungs- und Testzwecken!

So sehr sich Intel das auch wünschen würde: Nicht jeder Chip verlässt das Werk in einwandfreiem Zustand. Das bedeutet jedoch nicht, dass die gescheiterten Unternehmen völlig tot sind. Möglicherweise wird beim Testen eine Anomalie, ein Funktionsfehler oder etwas aufgedeckt, das einer Analyse bedarf. In diesem Fall werden sie an das Fehleranalyselabor von Intel weitergeleitet.

Dieses Labor ist etwas kleiner als die riesigen Flächen, die im Rest der Einrichtung üblich sind, aber es ist nicht weniger cool. Intel verfügt über alle Arten von fortschrittlicher Ausrüstung zum Testen auf Fehler. Es gibt offensichtliche visuelle Inspektionen mit Mikroskopen oder elektrische Tests mit Oszilloskopen, aber es gibt auch fortschrittlichere Wärmebildgeräte.

Eines der interessantesten Dinge der gesamten Tour war die Besichtigung einer Art Ultraschall-Sonarwellen-Testgerät, bei dem der Chip ins Wasser gelegt wird.

Jetzt ist es an der Zeit zu erwähnen, dass es uns in keiner dieser Einrichtungen gestattet war, Fotos zu machen, und dass wir auch keine Telefone, Uhren oder Geldbörsen bei uns tragen durften.

Und ich ärgere mich darüber, dass ich das nicht aus erster Hand gesehen habe, aber anscheinend gab es in diesem Labor mindestens eine Battlemage-GPU im Freien. Dies ist eine Intel-GPU der nächsten Generation, und es ist ein gutes Zeichen, dass sie sich in der Produktionsphase befindet und analysiert wird. Dies würde darauf hindeuten, dass Intels Grafikkartenreihe der nächsten Generation für eine Markteinführung im Jahr 2024 absolut auf dem richtigen Weg ist.

Na ja, solange die Misserfolge nicht zu groß sind.

Fabriken wie diese benötigen eine Menge kundenspezifischer Ausrüstung. Bei den für die Herstellung und Produktion eingesetzten Maschinen handelt es sich um feinkalibrierte Präzisionsgeräte. Es ist nicht die Art von Sachen, die man in eine Schachtel stecken und an denjenigen zurückschicken kann, der sie hergestellt hat.

Intel hat eine Abteilung namens System Integration and Manufacturing Services (SIMS). Sein Zweck besteht darin, Geräte zum Testen und Validieren der Chips in vielen Phasen des Prozesses herzustellen. Alle Nachmontageprüfstände, wie der unten abgebildete, werden im eigenen Haus hergestellt.

Es gibt sogar einen Abschnitt im Plan, in dem die Testausrüstung getestet wird. Falls Sie es noch nicht wussten: Es gibt jede Menge Tests von allem!

Zu den maßgeschneiderten Testgeräten von Intel zählen unter anderem Maschinen, die Burn-in-Stresstests durchführen, während ein anderes Backend-Tests durchführt. Das Bild unten zeigt eine kundenspezifische Maschine, mit der strombezogene Komponenten getestet werden. Ich erinnere mich, dass die Leiterplatte massiv und sehr dick war. Wie dick es ist, können Sie rechts im Bild unten sehen. Mir schaudert es, wenn ich daran denke, welchen Wert das alles haben würde.

Als ich anfing, dies aufzuschreiben, wünschte ich, ich hätte ein Notizbuch bei mir tragen dürfen. Nicht, damit ich Geschäftsgeheimnisse an AMD weitergeben könnte, sondern nur, damit ich mich an die riesigen Mengen an Informationen erinnern kann, die uns gegeben wurden!

Aber ansonsten war die Reise fantastisch. Für mich als Rezensent war dieser Einblick in den Herstellungsprozess sowohl persönlich als auch beruflich von unschätzbarem Wert. Ich denke gern, dass ich mich mit CPUs ziemlich gut auskenne, aber das schiere Ausmaß der Arbeit von Intel zu sehen, hat mir wirklich die Augen geöffnet.

Das Bild unten zeigt einen der vielen halbautonomen Roboter, die im Bereich der Sortierung und Vorbereitung der Formen herumfahren. Es ertönte ständig ein ansprechender Musikklang. Sie transportieren verschiedene Chips oder Wafer von einem Bereich der Fabrik zum anderen, immer mit einem Lächeln!

Ich denke gern, dass ich mich mit CPUs ziemlich gut auskenne, aber das schiere Ausmaß der Arbeit von Intel zu sehen, hat mir wirklich die Augen geöffnet.

Arthur C. Clarke ist für seine drei „Gesetze“ bekannt. Im dritten Satz heißt es: „Jede ausreichend fortgeschrittene Technologie ist nicht von Magie zu unterscheiden.“

Wer bei Intel arbeitet, würde sagen, dass es sich hier um fortschrittliche Technik handelt, und ehrlich gesagt haben sie recht. Aber nachdem man aus erster Hand gesehen hat, was diese Leute tun, muss da sicherlich ein bisschen Magie im Spiel sein. Wenn nicht, dann werde ich mich für Außerirdische entscheiden.

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Chris‘ Gaming-Erlebnisse reichen bis in die Mitte der Neunzigerjahre zurück, als er seine Eltern dazu überredete, einen „Lern-PC“ zu kaufen, der praktischerweise überdimensioniert war, um Doom und Tie Fighter zu spielen. Er entwickelte eine Vorliebe für extremes Übertakten, was seine Ersparnisse trotz der günstigeren Hardware, die ihm durch seinen Job in einem PC-Laden angeboten wurde, zunichte machte. Um sich mehr LN2 leisten zu können, begann er nebenbei als Rezensent für VR-Zone zu arbeiten, bevor er den Sprung machte und für MSI Australia arbeitete. Seitdem widmet er sich wieder dem Journalismus und rezensiert mit Begeisterung die neuesten und besten Komponenten für PC & Tech Authority, PC Powerplay und derzeit für das Australian Personal Computer Magazine und PC Gamer. Chris investiert immer noch viel zu viele Stunden in Borderlands 3 und strebt stets danach, ein effizienterer Killer zu werden.

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