IBM Research Albany Nanotech Center är en modell att efterlikna för CHIPS Act

Med antagandet av CHIPS+ Act av kongressen och dess förestående undertecknande av USA:s president, har mycket uppmärksamhet ägnats åt konstruktionen av nya halvledartillverkningsmegasiter av Intel, TSMC och Samsung. Men bortom tillverkningssidan av halvledarverksamheten finns det ett stort behov av att investera i relaterade områden som forskning, talangutbildning, utveckling av små och medelstora företag och akademiskt samarbete. Jag hade nyligen möjligheten att besöka ett utmärkt exempel på en sådan anläggning som integrerar alla dessa andra aspekter av chiptillverkning i ett tätt samarbete mellan industri, myndigheter och akademi. Det partnerskapet har pågått i över 20 år i Albany New York där IBM Research har ett nanoteknikcenter som ligger i anslutning till State University of New York (SUNY) Albany campus. Med betydande investeringar från delstaten New York genom utvecklingsbyrån New York Creates NY CREATES, utvecklar IBM i nära samarbete med flera universitet och industripartners toppmoderna halvledarprocessteknologier i fungerande labb för nästa generations datorchips.

Centret tillhandahåller en unik anläggning för halvledarforskning – dess öppna miljö underlättar samarbete mellan ledande utrustnings- och materialleverantörer, forskare, ingenjörer, akademiker och EDA-leverantörer. För närvarande har IBM ett tillverknings- och forskningssamarbete med Samsung Electronics och ett forskningspartnerskap tillkännagavs med Intel förra året. Nyckelleverantörer av spåntillverkning som ASML, KLA och Tokyo Electric (TEL) har utrustning installerad och arbetar aktivt med IBM för att utveckla avancerade processer och mätteknik för ledande teknologier.

Dessa faciliteter är inte billiga. Det krävs miljarder dollar i investeringar och många års forskning för att uppnå varje nytt genombrott. Till exempel tog High-k metallporten 15 år att gå in i produkter; FinFET-transistorn, viktig idag, tog 13 år; och nästa generations transistor, gate-all-around/nano-plåten, som Samsung sätter i produktion nu, var under utveckling i 14 år. Dessutom ökar kostnaden för att tillverka chips vid varje ny processnod med 20-30 % och FoU-kostnaderna fördubblas för varje nods utveckling. För att fortsätta stödja denna strategiska utveckling måste det finnas ett partnerskap mellan industri, akademi och myndigheter.

IBM gör investeringen

Du kanske frågar varför IBM, som sålt sina halvledartillverkningsanläggningar under åren, är så involverad i denna djupa och dyra forskning. För det första är IBM väldigt, väldigt bra på utveckling av halvledarprocesser. Företaget var banbrytande för flera kritiska halvledarteknologier under årtionden. Men att vara bra på en teknik betalar inte räkningarna, så IBMs andra motivation är att företaget behöver den bästa tekniken för sina egna Power- och Z-datorer. För det ändamålet är IBM främst inriktat på utveckling som stöder högpresterande datoranvändning och AI-bearbetning.

Ytterligare strategiska leverantörer och partners hjälper till att skala dessa innovationer utöver bara IBM:s bidrag. Den bästa utrustningen från utrustningsleverantörer i världsklass ger en testbädd för partners att experimentera och utveckla den senaste tekniken. IBM har tillsammans med sina utrustningspartners byggt specialiserad utrustning där det behövs för att experimentera utöver standardutrustningens kapacitet.

Men IBM lyckas bara om man kan överföra tekniken från labben till produktion. För att göra det har IBM och Samsung arbetat nära med processutveckling och tekniköverföring.

MER FRÅN FORBESIBM går vertikala för att skala transistorerBy Kevin Krewell

NanoTech Center överensstämmer med CHIPS Act genom att det kommer att tillåta USA att utveckla ledarskap inom tillverkningsteknik. Det kan också tillåta mindre företag att testa innovativ teknik i denna anläggning. Den nuvarande fab-byggnaden är igång 24/7/365 och är mycket utnyttjad, men det finns utrymme för att bygga ytterligare en byggnad som kan fördubbla avsevärt utvidga renrumsutrymmet. Det finns också en plan för en byggnad som kommer att kunna stödja nästa generation av ASML EUV-utrustning som kallas high NA EUV.

Framtiden är vertikal

Webbplatsen i Albany är också ett centrum för forskning om chipletteknologi. När halvledarskalningen saktar ner kommer unika förpackningslösningar för multi-die-chips att bli normen för högpresterande och energieffektiva datorer. IBM Research har ett aktivt program för att utveckla unika 2.5D- och 3D-formstaplingsteknologier. Idag är det föredragna substratet för att bygga dessa multi-die-chips fortfarande tillverkat av kisel, baserat på tillgången på verktyg och tillverkningskunskap. Det finns fortfarande unika processsteg som måste utvecklas för att hantera den specialiserade bearbetningen, inklusive laseravbindningstekniker.

IBM samarbetar också med tillverkare av testutrustning eftersom att bygga 3D-strukturer med chiplets innebär några unika testutmaningar. Tredjeparts EDA-leverantörer måste också vara en del av utvecklingsprocessen, eftersom det yttersta målet med chiplet-baserad design är att kunna kombinera chips från olika processnoder och olika gjuterier.

Idag är chipletteknologin embryonal, men framtiden kommer absolut att behöva denna teknik för att bygga nästa generations datacenterhårdvara. Det är en situation där ekonomi och teknik möts vid rätt tidpunkt.

Sammanfattning

Albany NanoTech Center är en modell för halvledarindustrin och visar ett sätt att sammanföra forskare från olika discipliner och olika organisationer för att främja den senaste halvledarteknologin. Men den här modellen måste också skalas upp och replikeras i hela Nordamerika. Med mer finansiering och större skala måste det också finnas en lämplig arbetskraft. Det är här USA behöver göra investeringar i STEM-utbildning i nivå med det sena 1950-talets Space Race och platser som Albany som erbjuder FoU om avancerad processutveckling som borde inspirera fler studenter att gå in i fysik, kemi och elektroteknik och inte att bygga nästa kryptovalutastart.

_{Tirias Research spårar och konsulterar för företag i hela elektronikens ekosystem från halvledare till system och sensorer till molnet. Medlemmar av Tirias forskningsteam har konsulterat för IBM, Intel, GlobalFoundries, Samsung och andra gjuterier.}