GF 实验室利用最新技术看到几乎看不见的东西

作者：加里-达加斯丁

"半导体制造不是火箭科学，你知道吗--要难得多"，这是许多半导体制造厂常说的一句玩笑话。虽然火箭科学家可能不同意这句话，但毫无疑问，设计和制造当今的重要芯片包含了许多令人难以置信的高难度工程挑战。

毕竟，我们谈论的是可能包含数百万或数十亿晶体管的小块硅片。它们由 40、60 或更多层具有独特电气特性的材料制成，其特征尺寸接近 DNA 分子的尺寸--只有几个纳米。晶体管之间的相互连接方式越来越复杂，如果将指甲盖大小的芯片内的所有线路端对端地铺设，其长度将以米为单位。

但是，我们如何才能知道如此复杂的系统中究竟发生了什么？我们如何了解是否存在设计问题、电气故障、热效应或其他会影响性能的意外情况？此外，我们如何确保制造过程尽可能高效？

答案可以通过我们全球分析实验室的各种表征技术找到。 GlobalFoundries (GF) 拥有该领域一些顶尖的技术专家，以及业内设备最齐全的实验室之一，配备了最新的电子显微镜和其他必要工具，用于检查和评估这些微小而复杂的器件。

GF 自己的 C.S.I. 部队

"我们是 GlobalFoundries 的 C.S.I. 部门，"GF 位于纽约马耳他的总部和制造工厂的全球分析实验室主任 Julie Lee 说。"我们在制造过程中收集芯片的物理证据，对其进行细致的检查，以了解如何改进其性能，并向工厂建议如何实现这些改进。

Lee 领导的实验室是公司最新的物理、材料、电气、光学和封装分析设施。该实验室是全球分析实验室组织的一部分，在美国、新加坡和德国都设有分支机构，拥有 250 多名具备各种专业知识的工程师和技术人员，全天候为晶圆厂提供支持。

在其他先进仪器中，它拥有最先进的透射电子显微镜（TEM），可将物体放大到 200 万倍。这种功能可实现原子级别的可视化，例如，可以看到和评估硅的 "掺杂"（即添加到硅中以改变其电气性能的杂质）。TEM 还能分析无法直接看到的错误，如电气故障。

GF 首席技术人员 Frieder Baumann 博士说："随着半导体尺寸的缩小，观察其特征所需的显微镜也在不断发展，GF 的实验室包含了光学和电子技术的组合。

他说："光学显微镜曾经是工作的主力，但现在它们主要用于光子设备，如 GF 的 Fotonix™ 平台，""我们还有一些扫描电子显微镜 (SEM)，它们具有高通量和几纳米的分辨率。我们用它们来观察特定的材料层，如芯片的抗蚀层，并检查芯片互连或布线中的裂缝。虽然扫描电镜在过去几年是主要的显微镜技术，但如今它们在 GF 的主要用途是在线检测，以保证生产流程的顺利进行。

使用 TEM 仔细观察

TEM 是显微镜的最新发展，它的视野更大，分辨率也比 SEM 高得多，还允许用户在屏幕上即时看到正在研究的芯片样本中的确切情况。

TEM已经从一种纯粹的成像工具发展成为一种用于综合物理和成分表征的多功能仪器，并与我们用于制备研究样品的新技术相结合，"Baumann说，"如果不使用聚焦离子束（FIB）工具制备样品，不使用TEM了解样品内部的情况，现代半导体制造几乎是不可想象的。"如果不使用聚焦离子束 (FIB) 工具制备样品，不使用 TEM 了解样品内部的情况，进行现代半导体制造几乎是不可想象的。

位于马耳他、纽约和其他 GF 所在地的分析实验室团队使用一套 TEM 工具（包括老式和新型号），每月在全球范围内对数千个样品进行研究。

"Baumann说："TEM技术在如此短的时间内取得了如此大的进步，如今的机器用途如此广泛，令人惊叹。例如，汽车是 GF 的一个重要市场，而嵌入式存储器在汽车应用中的重要性与日俱增，因为它是非易失性的，能够经受住汽车运行的恶劣实际环境。"得益于我们先进的 TEM 能力，我们是业内仅有的几家能够全面鉴定存储单元 中每一个元素的公司之一，以确定它实际上是正确构建和运行的"。    

实验室生活

除了先进的显微技术外，实验室还提供各种技术，并参与生产运营的许多方面，从进料化学分析到生产加工和客户反馈。  

"Lee说："正如GF在全球各地的工厂相互转让技术和能力以在全球建立多个生产基地一样，我们在全球各地的实验室也参与并支持技术转让。"作为一个全球性的实验室组织，我们拥有材料工程师、物理学家、数学家和技术人员。我们定期在物理、化学和电气分析等所有垂直领域的全球团队之间分享知识和经验教训，讨论具体问题，并利用所学知识提高 GF 的整体制造性能。  

最后，李说实验室也给她和她的同事们带来了极大的个人满足感。"我觉得在一个注重解决问题和创新的环境中工作非常有意义。 当找到解决方案以及见证团队成员的成长时，我感到特别满足"。

GF 制造的基本芯片处于空间探索的最前沿，提供在恶劣的空间环境中执行关键任务所需的能力、质量、安全性和可靠性。 

作者：Deniz Civay
GlobalFoundries 航空航天与国防事业部副总监 

太空旅游是一个新兴产业，可以想象有一天国际太空酒店会欢迎游客的到来。乘坐火箭前往国际空间站（ISS）附近轨道上的太空酒店，度假计划可以有一个全新的垂直方向。然而，热层--国际空间站所在的地球大气层--并不是我们大多数人认为的度假目的地。 

热层的温度从深不可测的零下 160 摄氏度波动到 80 摄氏度的烤箱温度。无数弹珠大小的太空碎片以每小时 17500 英里的速度巡航。更不用说电离层等离子体、真空中完全没有空气以及持续不断的辐射了。热层可不是野餐的好地方。 

我在 GlobalFoundries（GF）的一项重要工作就是帮助制造航天器的公司确保其系统中的半导体能够承受地球上、热大气层中以及更远的地方的恶劣环境。在最近的一次会议上，我向一位深空专家询问了如何在国际空间站上展示 GF 制造的芯片的可靠性能，结果引起了一阵哄堂大笑。

"你不想强调你的芯片在国际空间站上。那种环境根本不算什么。"GF芯片去过火星。木星的卫星。这些都是恶劣的环境。 

GF 芯片对我们在太空探索方面的进步至关重要。您的手机、智能扬声器和汽车中不仅有GF制造的半导体，令人难以置信的尖端太空系统中也有GF制造的半导体。詹姆斯-韦伯望远镜上就有 GF 佛蒙特工厂生产的芯片。GF 纽约马耳他工厂生产的芯片正在飞往火星、木星卫星的途中，并将进入更远的深空。 

这可不是一件小事，因为离地球越远，环境就越恶劣，挑战就越大。太空系统中的芯片必须坚固、可靠、省电，并能实现从拍摄图像、接收和传输信息到执行其他任务和功能的特定功能。同样重要的是，这些芯片的制造必须安全可靠，并能完全按照预期运行。 

在这两个领域，GF 都是制造领域的佼佼者：芯片安全、无懈可击，并能经受住严酷的太空考验。 

在安全方面，GF 的美国设施、人员和流程均获得美国国防部的最高级别认证，即 1A 类可信供应商，该认证实施了经过验证的严格安全措施，以保护敏感信息，并以最高级别的完整性制造芯片，确保芯片不受损害。此外，GF 还遵守严格的出口管制，以保护为这一重要部门制造的信息和芯片。  

要在恶劣的太空环境中生存，必须对芯片进行加固处理，使其能够经受住环境的考验。加固芯片以确保其在太空中生存的主要方法有两种：设计辐射加固（RHBD）和工艺辐射加固（RHBP）。RHBD 由制造卫星、火箭或其他发射到太空的产品的国防公司管理。它们通过冗余和电荷耗散缓解等技术和策略来实现 RHBD。  

RHBP 是指改变芯片的制造工艺，以确保芯片能在太空中生存。 RHBD 和 RHBP 是实现使电子设备在太空中可靠运行这一相同目标的两种不同方法。 

要制造出邮票大小的芯片，使其能够承受国际空间站、火星、木星以及更远的地方的旅行，需要不短的时间、脑力、精度和细心。但是，无论是半导体带来的各种创新，还是空间科学和空间技术所揭示的无数奇迹，都让我惊叹不已。  

下一次，当您看到詹姆斯-韦伯望远镜最新的令人惊叹的图像，或有关火星或木星的新的科学观测结果，或观看国际空间站宇航员的视频时，请记住，GF 制造的芯片就在这些系统的深处，使这一切成为可能。 

Deniz Civay 博士负责领导 GF 的恶劣环境战场，目标是确保为深空和国防产品提供最安全的陆上先进技术。她是 GF 航空航天和国防业务战略团队的副总监。12 年前加入 GF 时，她从事研发工作，发明了多项新技术，获得了 10 项专利并发表了多篇论文。她通过了 PMP 认证，拥有马萨诸塞大学阿默斯特分校高分子科学与工程博士学位。 

作者：鲍勃-奥唐纳

在这一点上，大多数人都听说过生成式人工智能以及该技术可以做的一些令人惊叹的事情。然而，大多数人不知道的是，在一些更先进的 GenAI 应用中，企业开始遇到限制大规模模型性能的挑战。

问题在于，要创建包含数千亿个参数的模型，就必须将海量数据传输到大型互联 GPU 阵列和数据中心系统中，这种情况正变得越来越普遍。为此，企业需要这些设备之间尽可能快的数据连接，以确保延迟和其他数据延迟不会限制这些极其昂贵的系统的性能（无论是购买还是运行！）。

为了着手解决这一问题，Nvidia 等公司已经从传统的铜缆以太网连接转向基于 InfiniBand 的专有互连技术。这些技术无疑解决了大型人工智能模型开发人员开始注意到的一些初期问题，但即使是这些技术也有其功率和带宽限制。

展望未来，一些机构已开始寻求基于光学的互连技术，例如由硅光子技术驱动的技术。在这类连接中，数据通过薄玻璃纤维上的光子以光速传输。事实上，硅光子技术以某种形式出现已有 30 多年，但由于制造复杂、缺乏标准以及在代工规模上使用该技术的挑战，它从未得到广泛应用。

然而，由于硅光子制造技术取得了新的进步，例如半导体制造商 GlobalFoundries 通过其 GF Fotonix 产品组合实现了硅光子的实际应用。GF 产品的独特之处在于将光学和电子元件单片集成到一个芯片上。而在此之前，必须使用不同制造工艺生产的独立组件才能实现这一目标。

将二者整合在一起，公司就能在单一设计中集成调制器、耦合器、多路复用器等光学元件以及射频元件和传统逻辑等基于 CMOS 的电子元件的芯片。除了降低硅光子产品的成本和复杂性外，单片集成还带来了其他方法无法实现的系统级性能优势。

最近，GF 与一家名为 Ayar Labs 的初创公司合作，利用 GF Fotonix 制造工艺制造出一种名为 TeraPHY™ 的定制光 I/O 芯片，目前可在单根光纤上同时进行 16 个光连接（128 个同时逻辑数据通道）。与传统的电气 I/O 互连相比，其最终结果是 4 Tbps 的双向吞吐量和 10 倍的延迟，以及高达 8 倍的能效。通过将这一解决方案集成到未来基于数据中心的服务器设计中，公司可以完全避免在训练超大型生成式人工智能模型时开始遇到的潜在性能瓶颈。

进入现实世界后，这意味着企业将开始能够构建数据中心硬件，满足连接和数据传输的需求，即使是规模最大、要求最苛刻的基于 GenAI 的基础模型也需要这样的硬件。此外，由于该技术基于硅光子学，因此它们可以在更远的距离上进行传输，并在此过程中使用更少的电力。反过来，这将提高数据中心设计的灵活性，并降低运营成本，而这两点正是许多使用大型基础模型的企业所青睐的。

展望未来，GF Fotonix 制造技术--利用 GlobalFoundries 独有的知识产权--还将支持许多其他类型的基于硅光子技术的应用，包括卫星通信和无线基础设施、共同封装光学器件和企业网络。

长期以来，硅光子学所依托的光学互连技术一直被寄予厚望。正如 GF 与 Fotonix 所做的那样，通过实现与传统 CMOS 元件的集成，实现这一承诺的可能性正与日俱增。

Bob O'Donnell 是 TECHnalysis Research LLC 的总裁兼首席分析师。 TECHnalysis Research, LLC是一家为技术行业和专业金融界提供战略咨询和市场研究服务的市场研究公司。您可以在 Twitter 上关注他 @bobodtech.

在新的一年里，Foundry Files回顾了 GlobalFoundries (GF) 在 2023 年取得的主要成就。  

从成为值得信赖的合作伙伴，到加强我们的全球布局，到推进我们的基本半导体技术，再到坚持不懈地专注于我们的团队，让我们回顾一下过去一年的 GF 新闻和里程碑。 

加强我们的全球足迹 

新加坡新设施开业 

在客户和新加坡政府的合作下，GF 在新加坡耗资 40 亿美元扩建的工厂于 9 月正式开业。作为新加坡最先进的半导体生产设施，它将每年多生产 45 万片 300 毫米晶圆，使 GF 在新加坡的年总产能达到约 150 万片 300 毫米晶圆。新工厂扩大了 GF 的全球生产足迹，有助于确保我们拥有全球客户在寻求加强供应链时所需的产能。 

单击此处观看 GF 新加坡分部高级副总裁兼总经理 Yew Kong Tan 讨论扩张事宜，并查看路透社、彭博社和CNBC 的新闻报道。 

此外，请单击此处了解这座新设施如何通过最先进的环保性能和控制措施来提高可持续性和效率。  

开设新的马来西亚办事处 

作为新加坡扩张的补充，GF 位于马来西亚槟城的新中心设施也已启用。这个新设施是战略枢纽网络的一部分，将为 GF 的全球制造业务提供全天候的基本支持，使我们能够在履行承诺，满足市场对 GF 制造的基本芯片的需求时，提供供应链弹性。马来西亚和新加坡毗邻，这也为开展跨境活动和扩大人才库提供了机会。 

请阅读《新海峡时报》和《亚洲科技》上有关该公告的更多信息。

美国 CHIPS 和科学法 

9 月，GF 宣布申请美国 CHIPS 和科学法案的资助，并向美国商务部 CHIPS 计划办公室提交了两份完整的申请。提交的申请用于 GF 美国生产设施的产能扩张和现代化改造。 

单击此处观看GF 总裁兼首席执行官 Thomas Caulfield 博士在 CNBC 上讨论《CHIPS 法案》。 

帮助我们的合作伙伴实现供应链复原力 

GF 与通用汽车携手合作 

今年二月，GF 与通用汽车公司（GM）宣布了一项长期战略协议。这项首开先河的协议为通用汽车在 GF 位于纽约州马耳他市的工厂创造了专门的生产能力。该协议加强了美国半导体制造业，并支持通用汽车减少为日益复杂的汽车提供动力所需的独特芯片数量的战略。  

通用汽车全球产品开发、采购和供应链执行副总裁道格-帕克斯（Doug Parks）如是说：  

"我们看到，随着汽车成为技术平台，未来几年我们对半导体的需求将增加一倍以上。与 GlobalFoundries 签订的供应协议将有助于在美国建立强大、灵活的关键技术供应，帮助通用汽车满足这一需求，同时为我们的客户提供新的技术和功能。" 

查看路透社、《纽约时报》、美联社和美国有线电视新闻网（CNN）对该公告的新闻报道。单击此处了解更多有关 GF 技术如何推动汽车行业自动化的信息。 

与洛克希德-马丁公司合作开发安全芯片 

今年 6 月，GF 与国防承包商洛克希德-马丁公司宣布开展战略合作，以加快技术创新，提高关键任务国家安全系统国内供应链的安全性、可靠性和弹性。这项合作直接支持美国政府提高关键半导体技术的可追溯性、来源和在岸生产的目标。 

美国参议院多数党领袖查尔斯-舒默（Charles Schumer）、洛克希德-马丁公司董事长、总裁兼首席执行官吉姆-泰克莱特（Jim Taiclet）和GF总裁兼首席执行官托马斯-考尔菲德（Thomas Caulfield）博士在纽约州马耳他的工厂宣布了这一消息。 

正如吉姆-泰克莱特所说 

"洛克希德-马丁公司致力于提供最先进的 21 世纪安全能力，以提高威慑力并使我们的客户领先于新出现的威胁。这始于安全制造的半导体。我们期待着与 GlobalFoundries 合作，帮助提高国产微电子的可及性--这是真正的国家安全需要。 

阅读路透社、《EE Times》、《Defense News》和《Fierce Electronics》对该公告的新闻报道。

 

在航空航天和国防领域持续保持领先地位  

GF 是美国政府的长期合作伙伴，也是为航空航天和国防工业安全制造重要芯片的领先供应商。  

今年 9 月，美国国防部（DoD）与 GF 签订了一份为期 10 年、价值 31 亿美元的合同，扩大了双方的合作关系，为广泛的关键航空航天和国防应用提供安全半导体。其中许多芯片将采用 GF 先进的 12 纳米 FinFET 技术制造，并将用于陆海空和太空的国防部系统。今年，国防部还将GF 位于纽约马耳他的工厂评定为最高安全级别的 1A 类可信供应商。  

请阅读Tom's Hardware、EE News 和Electronic Design 上有关宣布为期 10 年的新国防部合同的新闻报道。 

推进基本芯片技术和创新 

发展我们的差异化技术组合  

2023 年，GF 为其已经广泛而深入的差异化技术组合增添了许多新的增强功能。在欧洲举行的 GF 年度技术峰会上，我们宣布了快速发展的²²FDX®（22 纳米 FD-SOI）平台的一系列先进技术。这些创新为要求苛刻的物联网和汽车应用带来了卓越的能效、更高的性能、耐高温操作和其他优势。 

在北美举行的GF 技术峰会上，GF 宣布推出全新的 9SW RFSOI 平台，这是业界首个 300 毫米 RFSOI 代工解决方案的升级版。该平台以 GF 现有的 9SW 8SW RFSOI 技术为基础，与主要客户合作设计，是业界最先进的射频解决方案。它在灵活性、性能、集成度、尺寸和成本方面为 5G 移动和无线通信应用提供了重大改进。 

正如 Broadcom 无线半导体部门产品营销副总裁David Archbold 对 9SW RFSOI 的评价： 

"开发高速、更可靠的连接对于我们赖以生存、工作和娱乐的关键 5G 移动和下一代应用至关重要。借助新一代技术，博通将使我们的客户能够为其终端用户提供最佳的 5G 移动体验。" 

此外，在此次峰会上，GF 还宣布为下一代电动汽车和自动驾驶汽车增加两个技术平台。我们的 40ESF3 AutoPro™ 175 是一项新技术，可为汽车客户提供一整套技术解决方案和制造服务，帮助客户最大限度地减少认证工作，加快产品上市时间。我们的新型 130BCDLite Gen2 ATV125 电源管理解决方案支持高压和其他汽车应用，并符合严格的汽车一级高温运行认证。  

创新下一代基本芯片 

GF 仍在努力研究和开发新的基本芯片技术，这些技术有望带来改变游戏规则的新功能和特性。今年 10 月，GF 获得美国国防部 3500 万美元的资助，以加快在佛蒙特州埃塞克斯交界处的工厂大规模生产 GF 的硅基氮化镓（GaN）半导体。氮化镓技术可为智能手机、电动汽车、电网和许多其他应用提供显著的性能和效率。  

在学术界，GF 是大学多层面合作的重要合作伙伴。在技术层面，GF 的大学网络生态系统促进了与教授的合作，这些教授都是与 GF 终端市场相关的技术学科领域的世界级专家。GF 与教授们合作，让他们使用自己的差异化技术，提供工程支持，并生产他们的设计。作为回报，GF 获得了宝贵的技术反馈，并学到了许多不同的方法，可以利用其平台技术为客户创造创新解决方案。这种丰富的合作正是我们三月份宣布的 GF 与佐治亚理工学院新合作关系的核心所在。 

培养创新文化 

创新是 GF 和半导体行业的根本。2023 年，在一年一度的 "GF 专利周 "庆祝活动上，GF 宣布设立新的 GFX 奖，奖金 50,000 美元，用于表彰全球所有 GF 发明家中的一项突破性发明。首届获奖者是技术开发工程师、GF 发明大师和 2021 年 DEI 发明冠军边玉生博士。边博士拥有 170 多项全球专利和 260 多项正在申请的专利，并因其在硅光子技术方面的工作而荣获 GFX 奖。请务必查看与边博士的精彩问答。 

除 GFX 奖外，GF 专利周还表彰了来自美国、印度和欧洲的六位新发明大师，以支持 GF 在全公司范围内的发明和创新文化。劳拉-西尔弗斯坦（Laura Silverstein）是位于佛蒙特州埃塞克斯交界处的 GF 的一名集成工程师，她被评为 GF 2023 年发明冠军（DEI）。 

对人和社区的不懈关注 

创新的学生贷款偿还计划 

投资于我们的员工队伍并建立人才梯队是全球基金会、我们的社区和我们行业的关键需求。11 月，我们宣布了一项新的学生贷款偿还计划，帮助美国员工和符合条件的新员工免税偿还高达 28,500 美元的学生贷款债务。该计划旨在帮助 GF 现在和未来的员工减轻接受高等教育和培训的经济负担，从而加强半导体人才队伍。 

正如 GF 总裁兼首席执行官托马斯-考菲尔德博士所说： 

"在半导体行业，未来十年的增长速度将再翻一番，未来的创新蓝图与我们今天培养的人才直接相关。通过加强我们的员工福利计划，特别是通过我们的助学贷款，GF 不仅加强和建立了自己的人才梯队，而且还努力树立行业标杆。正是这些人才对于提供全世界赖以生存、工作和联系的重要半导体至关重要。 

单击此处阅读《新闻周刊》对这一新计划的报道。 

以人为本 

员工是 GF 最宝贵的资源。认可和重视 GF 的员工，鼓励他们每天在工作中展现真实的自我，对于支持 GF 全公司的多元化、公平和包容文化至关重要。  

GF 很荣幸能在三月庆祝 2023 年国际妇女节，并表彰全公司女性的杰出工作。GF最大的员工资源小组（ERG）是全球妇女组织（GlobalWomen），该组织在世界各地都有分会。每年，各分会都会举办表彰活动，庆祝并奖励那些体现 GF 价值观的女性和盟友。2023 年，共举办了 10 次此类活动，共有 1,000 多人参加。  

单击此处查看 GF 员工驱动的 ERG 的当前列表，包括我们最新的 ERG--ConnectAbility，它实现了对残障人士、照顾者和盟友的包容、无障碍、宣传和支持。该小组创建了一个支持性网络，个人可以在其中相互联系、分享经验和策略，并在人生和职业生涯中发挥每个人的潜能。 

单击此处，了解有关 GF 多样性、公平性和包容性的更多信息。 

对 ESG、企业责任和社区的承诺 

GF 长期以来一直致力于履行企业责任，2023 年，我们在环境、社会和公司治理 (ESG) 方面的努力获得了多项表彰。 

除了入选《新闻周刊》"2024 年美国最具责任感公司"榜单，广发基金还入选 Morningstar Sustainalytics 的 "2023 年行业最佳 ESG 公司 "榜单。2023 年，GF 还保持了晨星可持续分析公司的 "低风险 "评级，并保持了机构股东服务公司（ISS）的 "最佳 "企业 ESG 评级。 

正如 GF 全球环境、社会和治理主管Stacey Barrick 所说：  

"GF致力于环境可持续制造，并成为世界一流的雇主。企业责任和环境、社会和公司治理是我们作为一家公司的基本要素，也是我们所做每项决策的考虑因素。 

单击此处进一步了解我们的资源保护工作，单击此处了解有关GF ESG 的更多信息。单击此处查看完整的《2023 年 GF 企业责任报告》，该报告全面回顾了我们在过去一年里在 ESG 方面取得的成就。 

最后，当然也是最重要的一点，GF 的团队再次齐心协力，为我们的社区带来了积极的影响。2023 年，GF 和员工共捐款 120 万美元，志愿服务总时长达 8,867 小时，惠及 1,400 多个不同的非营利组织和慈善机构。点击此处，了解更多有关GlobalGives员工捐赠计划的信息。