AMD inside

Wie werden moderne Prozessoren produziert? Warum konzentriert AMD seine gesamte Prozessorproduktion in Dresden? Welcher Aufwand steckt hinter einem Chipwerk? Wir haben uns auf die Suche nach Antworten auf diese spannenden Fragen begeben. Folgen Sie uns auf eine interessante Reise durch AMDs Fab 30.

Eines gleich vorweg: Die Fab 30 ist nicht etwa AMDs 30. Fabrik, sie wurde schlicht im 30. Jahr nach der Firmengründung eröffnet. 1999 wurde das "Kronjuwel" nach zweijähriger Bauzeit in Betrieb genommen. Bis dato wurden alle AMD-Prozessoren in Austin/Texas in der Fab 25 gefertigt. Die Fab 30 wurde dazu auserkoren, Prozessor-Kerne im aufwendigen Kupfer-Herstellungsverfahren zu bauen. Kupfer (Cu) besitzt einen geringeren Widerstand, das führt zu niedrigeren Temperaturen, der Chip kann höher getaktet werden. Ferner benötigt der Kupfer-Prozess weniger Herstellungsschritte und ist besser für kleine Leiterbahnen geeignet. Im Dezember 1998 wurde in Dresden - die Fabrik war noch nicht einmal fertig gebaut - der erste Entwicklungs-Wafer mit K6-CPUs auf Aluminium-Basis produziert. Im Juni 1999 folgte der erste - man höre und staune - K6 auf Kupferbasis! Dieser Prozessor ging allerdings nie in Serie und diente lediglich als Fingerübung für die Ingenieure und als Generalprobe für das gesamte Werk. Im Juni 2000 begann die Auslieferung der ersten Kupfer-Athlons.

Wo wird was gemacht?
Heute laufen die Wafer aller Athlon-Prozessoren in Dresden vom Band und auch die 0,13 Micron-SOI-Wafer mit Hammer-Kernen liegen bereits überall in den Laboren herum. Allerdings werden in Dresden nicht die Prozessoren als solche hergestellt. Nur die Wafer, also die Siliziumscheiben mit den fertigen CPU-Kernen, kommen von dort. Diese werden ungeschnitten nach Fernost geschickt, nach Malaysia oder Thailand. Erst dort werden die einzelnen Kerne herausgetrennt - noch mechanisch, bald per Laser - und auf das "Package" aufgebracht. Jetzt sehen die Prozessoren so aus, wie wir sie kennen. Auch die Qualifizierung der Taktfrequenzen findet erst dort beim Burn-in statt.

Warum ausgerechnet Dresden? Vor der Wende Ende der 80er-Jahre war die Region zwischen Frankfurt/Oder, Dresden und Erfurt als "Halbleitersichel" bekannt, als Silicon Valley des Ostens. AMD konnte hier aus einem beachtlichen Potenzial qualifizierten Personals schöpfen. So lag die Zahl der Bewerber bei satten 44.000. Beschäftigt werden im Moment rund 2.000. Hinzu kommt, dass die nahen Technischen Universitäten Chemnitz und Zwickau einen hervorragenden Ruf in der Halbleiter-Branche besitzen. Auch das politische und wirtschaftliche Umfeld darf man bei der Standortwahl natürlich nicht außer Acht lassen. Das Land Sachsen hat AMD nicht unwesentlich bezuschusst: 800 Millionen Mark Fördergelder wurden ausgeschüttet. AMD ist zwar nicht nur wegen des Geldes gekommen, doch ohne Fördermittel wäre Dresden wahrscheinlich nicht erste Wahl gewesen.

Enormer Aufwand für kleinste Bauteile
Das eigentlich beeindruckende an der Fab 30 ist der Aufwand, der betrieben werden muss, um die Prozessorherstellung und die damit verbundene Miniaturisierung voranzutreiben. Neben dem eigenen Gas-Kraftwerk (Kraft/Wärmekopplung) ist es vor allem die Sub-Fab-Anlage, die einen Großteil der Fläche (zweimal wurde das Werk bereits erweitert) und der Energie verschlingt. Dort wird die Luft für die Reinräume gefiltert, das Reinstwasser für die Wafer-Behandlung aufbereitet und sämtliche Gase und chemische Flüssigkeiten koordiniert. Das Reinstwasser etwa hat nur einen Verschmutzungsgrad von 0,01 ppm und ist damit so aggressiv rein, dass es in speziellen Kunststoffrohren und Tanks geführt werden muss - sonst würde es selbst Edelstahl die Bestandteile entziehen. 150.000 Liter davon sind in der Stunde notwendig.

Luft für Reinraum-Bedingungen wird nicht minder aufwendig gefiltert und transportiert. Fast 30 Prozent des Volumens der Dachkonstruktion über den Reinräumen besteht nur aus Luft, die von oben nach unten durch die einzelnen Reinraumetagen geführt wird. Die obers-te Etage besitzt demnach die höchste Gütestufe. In mehreren Labors werden die Wafer auf ihre Güte überprüft. Hier findet man jede Art von Mikroskopen, spezielle Ultraschall-Geräte, Anlagen für mechanische Bearbeitung und vieles mehr. All das dient dazu, um die Wafer stichprobenartig sowohl physikalisch als auch chemisch und elektronisch auf ihre Qualität zu untersuchen. Besonders wichtig sind solche Proben zum Beispiel dann, wenn Maschinen nach einer Wartung wieder in Betrieb gehen oder die Ingenieure Feintuning an den Herstellungsparametern vorgenommen haben. Dann wird getestet, ob sich die Änderungen positiv oder negativ auf die Wafer ausgewirkt haben. Das hat eine gewisse Vorlaufzeit. Wenn Parameter geändert werden, dauert es, bis Wafer in die Labors geschickt werden können. Deren Ergebnisse liegen zwar innerhalb von wenigen Stunden vor, doch sollten sich die Änderungen als untauglich erweisen, laufen unter Umständen tagelang "schlechte" Wafer vom Band, bis die Nachjustierungen wieder greifen. Die Politik der ruhigen Hand ist hier also mehr gefragt als sonst irgendwo.

Forschung groß geschrieben
Damit in Dresden auch in Zukunft die Wafer zahlreich von den Bändern purzeln, ist AMD im Bereich Forschung besonders engagiert. Ein kritischer Punkt dabei ist die Belichtung der Wafer mittels Photolithographie-Masken. Die Strukturen der aktuellen Masken sind bereits kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Unter normalen Umständen würde das Licht gar nicht mehr hindurch passen, um die Wafer zu belichten - die Prozessor-Strukturen könnten nicht mehr aufgebracht werden. AMD hat deshalb zusammen mit IFX und DPI ein Joint Venture gegründet, das sich AMTC nennt: Advanced Mask Technology Center. Ziel des Zusammenschlusses ist es, die Physik so weit zu überlisten, dass noch kleinere Strukturen erzeugt werden können. Bereits jetzt sei es, so AMD, "als würde man einen Lidstrich mit einem Rasierpinsel ziehen". Mit der Entwicklung der kritischen Masken müsse man versuchen, das System noch weiter auszuhebeln, "das Licht so lange zu brechen und zu spiegeln, bis es eben trotzdem durchpasst." Was AMD hier so salopp formuliert, ist ein kompliziertes Multi-Millionen-Dollar-Unterfangen. "Es wird investiert werden, was nötig ist, um dies zu erreichen", heißt es dazu in einer Phase, in der AMD den höchsten Verlust in der Firmengeschichte zu verzeichnen hatte. In fünf Jahren werden die ersten verwertbaren Ergebnisse erwartet.

300-mm-Wafer derzeit "kein Thema"
Zwischen all dem Fortschrittsdrang überraschte uns AMD mit der Aussage, dass die derzeit von Intel forcierte Technik mit 300-mm-Wafern für AMDs Fab 30 derzeit kein Thema sei. Man habe sehr viel Know-how mit der aktuellen Technik. Ferner seien die Prozessor-Kerne der Athlons und Opterons verglichen mit den Pentium-4-Kernen sehr klein. Es sei daher auch mit 200-mm-Wafern möglich, hohe Stückzahlen pro Wafer zu erzielen und damit die Kosten niedrig zu halten.

Fab 30 und die Zukunft
Als die Fab 30 ihren regulären Betrieb aufnahm, liefen Athlon-Thunderbird-Prozessoren in 0,18-Micron-Strukturen vom Band. Mittlerweile produziert das Werk Thoroughbreds in 0,13 Micron. Laut AMD war dies ohne größere Änderungen an den Werkzeugen und den Maschinen. Bei der Einrichtung der Anlagen sei bereits darauf geachtet worden, dass diese auch mit 0,13 Micron umgehen können. Selbst die Hammer-Prozessoren Athlon 64 und Opteron, die zusätzlich noch mit der SOI-Technologie ausgerüstet sind, laufen von den gleichen Bändern. Danach wird jedoch Schluss sein. Die 0,09-Micron-Prozessoren, die bereits für 2003 geplant sind, werden neue Werkzeuge und Maschinen benötigen. Langfristig sieht der Plan vor, im Jahr 2005 mit 0,065 Micron nachzulegen, 2007 sollen 0,045 Micron und 2010 0,030 Micron machbar sein.

Zu den Prozessoren selbst ist AMD außer den Angaben in der aktuellen Roadmap natürlich nicht viel zu entlocken. Anfang bis Mitte 2003 werden wir die Einführung der 64-Bit-Hammer-Familie aus der Dresdner Produktion erleben, während die 32-Bit-Schiene mit dem aktuellen Athlon XP in die Low-Cost-Rolle zurückgestuft werden und damit den Part des Duron übernehmen soll. Ende 2003 werden die 0,09er-Versionen des Opteron ("Athens") und des Athlon 64 ("San Diego") erscheinen. Was die ferne Zukunft bringen wird, das wissen momentan nur die Chip-Designer in Sachsen - und natürlich die emsige Gerüchteküche im Internet. Die K8-Plattform ist noch nicht einmal verfügbar, da ranken sich bereits erste Legenden um dessen Nachfolger K9. Greyhound sei sein Codename, und welche neuen Features er besitzen soll, steht noch in den Sternen. Bleibt AMD seinem bisherigen Schema treu, werden wir frühestens 2007 - passend zur Einführung der 0,045-Micron-Technologie - mit dem Greyhound beglückt werden. Hoffentlich nach wie vor aus AMDs "Kronjuwel" in Dresden.