Câu chuyện bị lãng quên: Khi IBM phát minh ra dây chuyền sản xuất chip tự động hóa

Vào năm 1970, Bill Harding, quản lý nhóm Nghiên cứu Sản xuất của IBM tại East Fishkill, New York, đã đưa ra một tầm nhìn táo bạo: một dây chuyền sản xuất wafer hoàn toàn tự động có thể tạo ra các mạch tích hợp (IC) trong vòng chưa đầy một ngày.

Sơ đồ bố trí quy trình sản xuất chip của dự án SWIFT

Trong bối cảnh 54 năm trước, khi việc sản xuất một con chip nhớ RAM thường mất cả tháng trời với hàng chục trạm làm việc thủ công, mục tiêu này được coi là một "phi vụ chăng dây". Ngay cả trong các nhà máy fab trị giá hàng tỷ USD ngày nay, thời gian sản xuất một IC tiên tiến vẫn tính bằng tuần chứ không phải ngày. Tuy nhiên, Harding và đội ngũ của ông đã biến điều không thể thành có thể thông qua dự án mang tên Project SWIFT.

Kiến trúc đột phá của SWIFT

Để đạt được tốc độ chóng mặt, SWIFT yêu cầu một sự thay đổi hoàn toàn về tư duy thiết kế dây chuyền sản xuất. Thay vì dây chuyền lắp ráp tuyến tính truyền thống, hệ thống được chia thành năm "khu vực" (sectors). Mỗi khu vực là một máy khép kín kích thước ô tô, chứa tất cả các thiết bị xử lý hóa học, nhiệt và quang khắc cần thiết giữa các bước phơi sáng mẫu lithography.

Một hệ thống đường ray đơn ("taxi") sẽ vận chuyển từng tấm wafer riêng lẻ từ khu vực này đến trạm phơi sáng lithography được chỉ định, sau đó chuyển đến khu vực tiếp theo. Thiết kế này đảm bảo rằng một tấm wafer luôn quay trở lại cùng một máy phơi sáng cho từng lớp, giúp giảm thiểu sai số do biến thể giữa các máy.

Hiệu suất kỷ lục chưa bị phá vỡ

SWIFT đã đạt được tốc độ trung bình 5 giờ để hoàn thành mỗi lớp của quy trình sản xuất. Để so sánh, các nhà máy hiện đại nhanh nhất hiện nay mất 19 giờ cho mỗi lớp xử lý, và trung bình ngành là 36 giờ. Mặc dù chip ngày nay phức tạp hơn nhiều với số lớp lớn hơn và kích thước wafer to như chiếc pizza nhỏ, nhưng khoảng cách về tốc độ xử lý thô của SWIFT vẫn là một con số ấn tượng.

Quy trình kiểm soát của SWIFT rất tiên tiến thời bấy giờ, sử dụng hệ thống phân cấp 3 cấp độ. Ở cấp cao nhất, máy tính IBM 1800 quản lý toàn bộ dây chuyền, theo dõi từng wafer thông qua số sê-ri và phản ứng nhanh với các thông số vượt quy cách.

Di sản của Project SWIFT

Dự án đã hoạt động thành công từ giữa năm 1974 đến đầu năm 1975, sản xuất 600 tấm wafer chất lượng với 17.000 chip nhớ FET RAM-II. Thời gian quay vòng trung bình từ wafer trống đến chip hoàn chỉnh chỉ khoảng 20 giờ (14 giờ xử lý thực tế), tỷ lệ thành phẩm ngang bằng với dây chuyền sản xuất truyền thống tốt nhất thời đó.

Tuy nhiên, dự án SWIFT có vòng đời ngắn. Sau khi chứng minh tính khả thi, nó được đổi tên thành "FMS Feasibility Line" để phục vụ cho dự án máy tính "Future System" (FS) thế hệ tiếp theo của IBM. Khi dự án FS bị hủy bỏ vào năm 1975, SWIFT cũng dừng hoạt động.

Mặc dù bị lãng quên, những đổi mới của SWIFT vẫn hiện hữu khắp nơi trong các nhà máy fab ngày nay. Từ việc tự động hóa hoàn toàn, hệ thống vận chuyển trung tâm, tay cầm Bernoulli (dùng dòng khí nâng wafer không tiếp xúc), đến việc sử dụng máy phơi sáng bước (stepper) và kiểm soát quy trình thời gian thực — tất cả đều là những tính năng tiên phong của Project SWIFT cách đây 50 năm.

William E. Harding, người cha đẻ của dự án, xứng đáng được ghi nhận là "người cha" của những nhà máy sản xuất chip tự động hóa trị giá tỷ đô la hiện nay.