No complexo da Intel em Chandler, Arizona, pods com até 25 wafers de silício usados para fazer os chips se moverem em trilhos aéreos automatizados. Foto / Philip Cheung, The New York Times
À medida que a escassez global de chips continua, analisamos como os semicondutores são fabricados.
Alguns apresentam mais de 50 bilhões de minúsculos transistores que são 10.000 vezes menores que a largura de um humano
cabelo. Eles são feitos em pisos gigantescos e ultralimpos de fábricas que podem ter sete andares de altura e percorrer o comprimento de quatro campos de futebol.
Os microchips são, em muitos aspectos, a força vital da economia moderna. Eles alimentam computadores, smartphones, carros, eletrodomésticos e dezenas de outros eletrônicos. Mas a demanda mundial por eles aumentou desde a pandemia, que também causou interrupções na cadeia de suprimentos, resultando em uma escassez global.
Isso, por sua vez, está alimentando a inflação e levantando alarmes de que os Estados Unidos estão se tornando muito dependentes de chips fabricados no exterior. Os Estados Unidos respondem por apenas cerca de 12% da capacidade global de fabricação de semicondutores; mais de 90 por cento dos chips mais avançados vêm de Taiwan.
A Intel, uma gigante do Vale do Silício que busca restaurar sua liderança de longa data na tecnologia de fabricação de chips, está fazendo uma aposta de US$ 20 bilhões que pode ajudar a aliviar o déficit de chips. Está construindo duas fábricas em seu complexo de fabricação de chips em Chandler, Arizona, que levará três anos para ser concluída, e anunciou recentemente planos para uma expansão potencialmente maior, com novos locais em New Albany, Ohio, e Magdeburg, Alemanha.
Por que fazer milhões desses pequenos componentes significa construir – e gastar – tão grande? Uma olhada nas fábricas de produção da Intel em Chandler e Hillsboro, Oregon, fornece algumas respostas.
O que as fichas fazem
Chips, ou circuitos integrados, começaram a substituir transistores individuais volumosos no final da década de 1950. Muitos desses minúsculos componentes são produzidos em um pedaço de silício e conectados para trabalharem juntos. Os chips resultantes armazenam dados, amplificam sinais de rádio e realizam outras operações; A Intel é famosa por uma variedade chamada microprocessadores, que executa a maioria das funções de cálculo de um computador.
A Intel conseguiu encolher os transistores em seus microprocessadores para tamanhos alucinantes. Mas a rival Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. pode fabricar componentes ainda menores, um dos principais motivos pelos quais a Apple a escolheu para fabricar os chips para seus iPhones mais recentes.
Essas vitórias de uma empresa sediada em Taiwan, uma ilha que a China reivindica como sua, aumentam os sinais de uma crescente lacuna tecnológica que pode colocar os avanços em computação, dispositivos de consumo e hardware militar em risco tanto pelas ambições da China quanto pelas ameaças naturais em Taiwan, como como terremotos e secas. E colocou em destaque os esforços da Intel para reconquistar a liderança em tecnologia.
Como são feitas as fichas
Os fabricantes de chips estão colocando cada vez mais transistores em cada pedaço de silício, e é por isso que a tecnologia faz mais a cada ano. É também a razão pela qual novas fábricas de chips custam bilhões e menos empresas podem se dar ao luxo de construí-las.
Além de pagar por prédios e maquinário, as empresas devem gastar muito para desenvolver as complexas etapas de processamento usadas para fabricar chips a partir de pastilhas de silício do tamanho de placas – e é por isso que as fábricas são chamadas de “fabs”.
Máquinas enormes projetam designs para chips em cada wafer e, em seguida, depositam e gravam camadas de materiais para criar seus transistores e conectá-los. Até 25 wafers por vez se movem entre esses sistemas em cápsulas especiais em trilhos aéreos automatizados.
O processamento de uma bolacha leva milhares de etapas e até dois meses. A TSMC estabeleceu o ritmo de produção nos últimos anos, operando “gigafabs”, locais com quatro ou mais linhas de produção. Dan Hutcheson, vice-presidente da empresa de pesquisa de mercado TechInsights, estimou que cada local pode processar mais de 100.000 wafers por mês. Ele estimou a capacidade das duas instalações planejadas de US$ 10 bilhões da Intel no Arizona em cerca de 40.000 wafers por mês cada.
Como os chips são embalados
Após o processamento, o wafer é fatiado em chips individuais. Estes são testados e embalados em embalagens plásticas para conectá-los a placas de circuito ou partes de um sistema.
Essa etapa se tornou um novo campo de batalha, porque é mais difícil fazer transistores ainda menores. As empresas agora estão empilhando vários chips ou colocando-os lado a lado em um pacote, conectando-os para atuar como um único pedaço de silício.
Onde empacotar um punhado de chips juntos agora é rotina, a Intel desenvolveu um produto avançado que usa nova tecnologia para agrupar notáveis 47 chips individuais, incluindo alguns fabricados pela TSMC e outras empresas, bem como aqueles produzidos nas fábricas da Intel.
O que diferencia as fábricas de chips
Os chips Intel normalmente são vendidos por centenas a milhares de dólares cada. A Intel lançou em março seu microprocessador mais rápido para desktops, por exemplo, a um preço inicial de US$ 739. Um pedaço de poeira invisível ao olho humano pode arruinar um. Portanto, as fábricas precisam ser mais limpas do que uma sala de cirurgia de hospital e precisam de sistemas complexos para filtrar o ar e regular a temperatura e a umidade.
Os Fabs também devem ser impermeáveis a praticamente qualquer vibração, o que pode causar mau funcionamento de equipamentos caros. Assim, as salas limpas fabulosas são construídas em enormes lajes de concreto em amortecedores especiais.
Também crítica é a capacidade de mover grandes quantidades de líquidos e gases. O nível superior das fábricas da Intel, com cerca de 20 metros de altura, possui ventiladores gigantes para ajudar a circular o ar para a sala limpa logo abaixo. Abaixo da sala limpa estão milhares de bombas, transformadores, gabinetes de energia, tubulações e resfriadores que se conectam às máquinas de produção.
A necessidade de água
Fabs são operações com uso intensivo de água. Isso porque a água é necessária para limpar os wafers em muitos estágios do processo de produção.
Os dois sites da Intel em Chandler extraem coletivamente cerca de 11 milhões de galões de água por dia da concessionária local. A futura expansão da Intel exigirá muito mais, um aparente desafio para um estado assolado pela seca como o Arizona, que cortou as alocações de água para os agricultores. Mas a agricultura consome muito mais água do que uma fábrica de chips.
A Intel diz que suas instalações em Chandler, que dependem de suprimentos de três rios e um sistema de poços, recuperam cerca de 82% da água doce que usam por meio de sistemas de filtragem, lagoas de decantação e outros equipamentos. Essa água é enviada de volta à cidade, que opera instalações de tratamento que a Intel financiou e que a redistribui para irrigação e outros usos não potáveis.
A Intel espera ajudar a aumentar o abastecimento de água no Arizona e em outros estados até 2030, trabalhando com grupos ambientais e outros em projetos que economizam e restauram a água para as comunidades locais.
Como as fabs são construídas
Para construir suas futuras fábricas, a Intel precisará de cerca de 5.000 trabalhadores de construção qualificados por três anos.
Eles têm muito o que fazer. A escavação das fundações deve remover 890.000 jardas cúbicas de sujeira, transportadas a uma taxa de um caminhão basculante por minuto, disse Dan Doron, chefe de construção da Intel.
A empresa espera derramar mais de 445.000 metros cúbicos de concreto e usar 100.000 toneladas de aço de reforço para as fundações – mais do que na construção do edifício mais alto do mundo, o Burj Khalifa em Dubai, Emirados Árabes Unidos.
Alguns guindastes para a construção são tão grandes que são necessários mais de 100 caminhões para trazer as peças para montá-los, disse Doron. Os guindastes levantarão, entre outras coisas, chillers de 55 toneladas para as novas fábricas.
LEIAMAIS
Patrick Gelsinger, que se tornou CEO da Intel há um ano, está fazendo lobby no Congresso para fornecer subsídios para a construção de fábricas e créditos fiscais para investimentos em equipamentos. Para gerenciar o risco de gastos da Intel, ele planeja enfatizar a construção de “conchas” fabulosas que podem ser equipadas com equipamentos para responder às mudanças do mercado.
Para resolver a escassez de chips, Gelsinger terá que cumprir seu plano de produzir chips projetados por outras empresas. Mas uma única empresa pode fazer muito; produtos como telefones e carros exigem componentes de muitos fornecedores, bem como chips mais antigos. E nenhum país pode ficar sozinho em semicondutores. Embora o aumento da fabricação doméstica possa reduzir um pouco os riscos de fornecimento, a indústria de chips continuará a depender de uma complexa rede global de empresas para matérias-primas, equipamentos de produção, software de design, talento e fabricação especializada.
Este artigo apareceu originalmente em O jornal New York Times.
Escrito por: Don Clark
Fotografias por: Philip Cheung
© 2022 THE NEW YORK TIMES
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