Cara Membangun Pabrik Semikonduktor Seharga 20 Miliar Dolar AS
Tantangan dan Biaya Proses Manufaktur Semikonduktor
- Manufaktur semikonduktor jauh lebih sulit dibanding manufaktur biasa karena prosesnya sangat kompleks dan ambang toleransi kesalahannya sangat ketat
- Ukuran transistor semikonduktor modern berada pada skala nanometer, sehingga menuntut ketelitian puluhan ribu kali dibanding manufaktur biasa
- Hanya satu butir debu atau pergeseran posisi beberapa atom saja dapat merusak seluruh chip
- Perbedaan kecil pada konsentrasi impuritas atau kecepatan proses juga tidak dapat ditoleransi
- Sejarah manufaktur semikonduktor adalah sejarah melawan efek-efek sangat kecil dengan dampak yang mematikan
- Semakin kecilnya perangkat semikonduktor membuat persoalannya semakin sulit
- Pabrik semikonduktor modern harus menciptakan dunia presisi dan prediktabilitas yang luar biasa
- Semua efek yang dapat mengganggu proses harus diblokir, dan deviasi mikro harus ditemukan lalu dihilangkan
- Semua ini harus dipertahankan dalam lingkungan produksi massal dengan ratusan ribu wafer per tahun dan ratusan juta chip (masing-masing dengan puluhan miliar transistor)
Struktur Pabrik Semikonduktor (Fab)
- Pabrik semikonduktor modern umumnya terdiri dari 4 lantai
- Inti utamanya adalah lantai cleanroom tempat proses manufaktur berlangsung
- Di bawah cleanroom terdapat sub-fab (biasanya 2), berisi peralatan pendukung pekerjaan cleanroom serta pipa dan kabel
- Di atas cleanroom ada ruang dengan kipas dan filter yang menyaring dan mensirkulasikan udara
- Pada cleanroom ditempatkan peralatan proses individual (process tools), seperti litografi, CVD, dan ion implanter
- Pabrik logika semikonduktor modern memerlukan lebih dari 1.000 peralatan proses untuk menghasilkan 40.000 hingga 50.000 wafer per bulan
- Dengan beralih ke wafer 300 mm, penggunaan AMHS (automated material handling system) menjadi keharusan
- Cleanroom dirancang untuk meminimalkan polusi; pabrik semikonduktor mempertahankan kebersihan setara Class 10/100
- Struktur aliran udaranya memakai HEPA/ULPA filter di lantai untuk mengarahkan udara turun dan bersirkulasi
- Untuk mencegah masuknya udara luar, cleanroom dipertahankan dengan tekanan positif
- Pabrik modern memakai strategi mini-environment, memindahkan wafer dalam FOUP dan menutup peralatan proses itu sendiri
- Dirancang untuk menghalangi semua sumber gangguan, termasuk getaran, cahaya, listrik statis, dan gelombang elektromagnetik
- Di sub-fab ditempatkan laser, pompa vakum, dan perangkat pendukung proses lainnya
- Diperlukan perlengkapan serta pipa khusus untuk menangani bahan kimia beracun, pengolahan limbah, dan lain-lain
- Di luar pabrik diperlukan fasilitas pendukung seperti pemisahan oksigen/nitrogen dan fasilitas pembuatan air ultra murni
- Pabrik semikonduktor besar mengonsumsi daya sekitar 100 MW, setara satu reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir
Pembangunan Pabrik Semikonduktor
- Diperlukan cleanroom dengan luas puluhan hingga ratusan ribu kaki persegi dan lokasi sebesar ratusan acre
- Harus digunakan ribuan ton baja rangka dan ratusan ribu yard kubik beton
- Intel memakai 2x beton yang setara Burj Khalifa dan 5x rangka baja yang setara Menara Eiffel di pabrik barunya
- Untuk menjamin presisi dibutuhkan ribuan tenaga ahli. Intel mengalokasikan hingga 9.300 orang di pabrik barunya, sementara TSMC memakai 12.000 orang
- Setelah blow down, butuh 6 bulan sampai 1 tahun untuk menyiapkan peralatan
- Pembangunan pabrik biasanya memakan waktu 2~4 tahun. Di AS waktu ini lebih lama dibanding Asia dan biayanya 30~400% lebih tinggi
Biaya Pembangunan Pabrik Semikonduktor
- 70~80% biaya pembangunan digunakan untuk pembelian peralatan proses
- Lebih dari 2/3 komponen konstruksi mengarah ke instalasi mesin/listrik; pada pembangunan rumah tinggal biasanya di bawah 20%
- Bagian terbesar biaya alat adalah litografi, setara 20% dari total biaya konstruksi—sedemikian mahalnya seperti biaya bangunan pabrik itu sendiri
- Biaya pembangunan pabrik naik 30% setiap kali berpindah ke node proses baru
- Peningkatan harga alat karena miniaturisasi transistor dan bertambahnya jumlah mask maupun langkah proses merupakan penyebab utama
- Peningkatan kebutuhan otomasi karena wafer yang lebih besar (300 mm) juga menjadi salah satu penyebab kenaikan tersebut
- Meningkatnya biaya konstruksi menurunkan jumlah IDM yang memiliki pabrik sendiri, sekaligus memperluas model foundry yang memisahkan desain dan manufaktur
Opini GN⁺
- Manufaktur semikonduktor dapat disebut bentuk rekayasa ekstrem yang menuntut presisi tingkat atom, memperlihatkan betapa kompleks dan cermatnya teknologi semikonduktor yang menopang peradaban modern
- Ada banyak informasi yang berguna untuk memahami tren industri semikonduktor, termasuk peralihan dari IDM ke model foundry dan gagalnya migrasi ke wafer 450 mm
- Artikel ini menjelaskan dengan sangat jelas mengapa biaya pembangunan pabrik bisa mencapai angka astronomis dan rincian kontribusi setiap komponen biayanya
- Menarik bahwa jika melihat kompleksitas proses, durasi 2~4 tahun justru terkesan cepat; tetapi fakta bahwa AS memakan waktu jauh lebih lama daripada Korea atau Taiwan merupakan perbedaan penting
- Dari kenyataan bahwa pemasok utama peralatan proses yang sangat mahal hanya beberapa—ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron, dan lainnya—terlihat struktur oligopoli industri peralatan semikonduktor
- Menimbulkan pertanyaan: seperti apa masa depan industri proses sangat presisi seperti semikonduktor jika bergerak ke arah otomatisasi dan robotisasi? Karena porsi biaya tenaga kerja rendah, manfaat ekonomis otomasi tampak tidak terlalu besar
1 komentar
Komentar Hacker News
Karena CHIPS and Science Act, TSMC dan Intel sedang membangun pabrik semikonduktor baru di Phoenix, Arizona, yang penting dari perspektif ekonomi maupun keamanan nasional.
Meskipun produksinya akan memakan waktu beberapa tahun, dampak CHIPS Act terhadap kehidupan orang-orang sudah mulai terasa, mulai dari konstruksi hari ini, pelatihan tenaga kerja untuk masa depan, hingga ekosistem perusahaan pendukung.
Wawancara sejarah lisan pendiri TSMC, Morris Chang:
Mudah dilupakan saat bermain Angry Birds di iPhone, tetapi ada riset, sumber daya, dan keahlian yang sangat besar yang membuat teknologi modern menjadi mungkin.
Jika ingin mempelajari lebih lanjut sejarah dan dilema terkini industri semikonduktor, buku 'Chip Wars' karya Chris Miller sangat direkomendasikan.
Ada video menarik tentang seorang siswa sekolah menengah yang membuat pabrik semikonduktor buatan sendiri dengan biaya rendah di garasi orang tuanya. Saya berharap bisa melihat pembuatan CPU 6502 di rumah, tetapi sayangnya tidak berkembang lebih jauh dari situ.
Apple, Nvidia, dan lain-lain beralih ke model "fabless", dengan merancang chip lalu menyerahkan pembuatannya ke "foundry" seperti TSMC. Dengan menggabungkan pesanan dari berbagai perusahaan chip, mereka mencapai skala ekonomi yang dibutuhkan untuk lini proses paling mutakhir.
Dalam jangka panjang, pembelajaran AI juga bisa menjadi model yang serupa.
Toleransi pada proses manufaktur konvensional biasanya berbeda hingga sepuluh kali lipat. Menyebut toleransi untuk machining CNC sebesar 0.125 mm itu masuk akal?
Menurut Hukum Kedua Moore (atau Hukum Rock), biaya pabrik semikonduktor berlipat ganda setiap 4 tahun. Dalam 30 tahun, biaya untuk satu pabrik bisa melebung lebih dari 3 triliun dolar, menunjukkan adanya batas atas peningkatan teknologi karena pertimbangan ekonomi.
Mengumpulkan 20 miliar dolar untuk membangun pabrik semikonduktor ini seperti meme menggambar burung hantu.
Saya tahu pabrik semikonduktor itu sangat kompleks, tetapi artikel ini tetap mengejutkan.
Saat mengunjungi lokasi konstruksi senilai 40 juta dolar dan melihat para pekerja, peralatan, serta material yang terus bergerak, saya jadi berpikir, begitulah 40 juta dolar itu bergerak.