Krowy zatrzymały produkcję procesorów. Gigant musiał przenieść farmy

Poniższy fragment pochodzi z książki „ASML. Chipy, wojna technologiczna i najważniejsza maszyna świata” autorstwa Marc Hijinka, która została wydana przez wydawnictwo Prześwity

Złowieszcze cienie wypełniają pustynne równiny Arizony. Wśród rezerwatów rdzennych Amerykanów i pasm górskich Phoenix wznoszą się fabryki należące do gigantów technologicznych, takich jak Intel, Motorola i NXP. Na horyzoncie dumnie rysują się również dwa nowo wybudowane zakłady TSMC. Choć Dolina Słońca cieszy się blisko trzystoma dniami bezchmurnego nieba rocznie, światło dzienne nigdy nie dociera do sterylnych wnętrz tych monumentalnych budowli.

Fabryki chipów pozostają całkowicie odizolowane od świata zewnętrznego. Nic i nikt nie może zakłócić produkcji. Wystarczy zajrzeć do wnętrza pomieszczenia czystego, by zobaczyć, jak sprawnie działa fabryka chipów. Wzdłuż sufitu, od jednej maszyny do drugiej, przesuwają się roboty, grzechocząc tacami wypełnionymi waflami. Gdy tylko dochodzi do awarii, natychmiast cały ruch zamiera. Roboty stoją nieruchomo, niczym sznur zniecierpliwionych kierowców uwięzionych w korku. Taka awaria ma kluczowe znaczenie: serce fabryki – maszyna litograficzna – przestaje bić. W normalnych warunkach najwydajniejsze urządzenia produkują nawet dwieście do trzystu wafli na godzinę, a każdy z nich może być wart nawet 250 tys. dolarów. Dla producentów chipów zatrzymanie skanera to sytuacja krytyczna – niemal zagrożenie egzystencjalne.

Todd Garvey jest jednym z dziewięciu tysięcy pracowników obsługi klienta ASML na całym świecie, którzy dbają o to, by maszyny litograficzne działały bez przerwy. Operacje są koordynowane z bazy w Arizonie, gdzie od 1984 roku mieści się amerykańskie biuro ASML. Strój ochronny umożliwiający wejście do pomieszczeń czystych to bezpyłowy kombinezon, który odsłania jedynie oczy. Mógłby równie dobrze pasować do szpitala – podobnie jak Garvey, który postrzega siebie jako pielęgniarza ASML, czuwającego nad swoimi pacjentami przez całą dobę.

Inżynierowie serwisu, tacy jak Garvey, odpowiadają za nieprzerwaną pracę floty czterdziestu do pięćdziesięciu maszyn. Zdobycie kwalifikacji na to stanowisko wymaga lat doświadczenia, dlatego ASML zaczyna szkolić personel techniczny na długo przed rozpoczęciem budowy nowej fabryki.

Praca w fabryce chipów wymaga mocnego pęcherza. Przebranie się na krótką przerwę zajmuje tak dużo czasu, że zwykle nie warto się na to decydować. „Po prostu staraj się nie jeść ani nie pić za dużo” – radzi Garvey. Powodzenia, jeśli masz przed sobą kolejną wyczerpującą, dwunastogodzinną zmianę. On i jego zespół pracują w trzydniowych cyklach, po których mają kilka dni wolnego.

Gdy znajomi pytają go, czym dokładnie zajmuje się w fabryce chipów, Garvey ma gotową odpowiedź: „Obsługuję bardzo drogi aparat, który bez przerwy fotografuje ten sam obraz na dysku poruszającym się z prędkością trzystu do czterystu kilometrów na godzinę. I za każdym razem musi być ostry jak brzytwa”.

Od dwudziestu pięciu lat Garvey czuje się wobec tych maszyn jak ojciec. „To moje dzieci. Gdy klient zamawiał maszynę, jechałem do Veldhoven, by zobaczyć, jak system się rozwija. Patrzyłem, jak rośnie – od pojedynczych modułów do pełnoprawnej maszyny do produkcji wafli – a potem obserwowałem, jak jest ponownie rozkładana na części, by mogła być wysłana. Następnie leciałem z nią całą drogę do fabryki chipów. To moje dziecko”.

Wystarczy wejść do dowolnego pomieszczenia czystego, by się przekonać, że maszyna litograficzna jest królową fabryki. Jest najdroższym narzędziem i odpowiada za najbardziej krytyczny etap produkcji, dlatego kluczowe jest, żeby działała z pełną mocą przez cały czas. Pozostałe maszyny, choć mniej kosztowne, zajmują się kolejnymi etapami procesu, takimi jak trawienie, podgrzewanie i nakładanie na wafle kolejnych warstw. W tym czasie dyski są nieustannie mierzone, by się upewnić, że warstwy w chipach są precyzyjnie wyrównane.

Maszyny litograficzne pracują z wydajnością na poziomie 98–99 procent – pod warunkiem regularnej konserwacji. Podobnie jak na autostradzie, dobre planowanie pozwala zminimalizować zakłócenia, przekierowując zadania i produkcję na inne linie. Największe straty ekonomiczne powodują nieoczekiwane awarie, które pojawiają się nagle – bez żadnego ostrzeżenia. Nie zabrzmi żadna syrena, bo w fabryce i tak panuje wystarczający hałas.

Jeśli przerwa w działaniu trwa dłużej niż 48 godzin, jedyną opcją jest przekierowanie wafli na inną linię i pogodzenie się ze spadkiem wydajności. W tym czasie roboty stoją nieruchomo w oczekiwaniu na wznowienie pracy, a inżynierowie ASML robią wszystko, by zdiagnozować problem i przywrócić pacjenta do życia.

„To jak rozwiązywanie skomplikowanej łamigłówki – mówi inżynier Gang-san Kim. – Kiedy w końcu znajdziesz rozwiązanie, ulga jest ogromna”. Obsługa tych niezwykle precyzyjnych urządzeń wymaga nerwów ze stali. Choć fabryki chipów są w pełni zautomatyzowane, ludzkie błędy wciąż mogą się zdarzyć – luźne kable, pominięta śruba, upuszczone narzędzie, odcisk palca czy rysa na soczewce. Jednak najgorsze, co może się wydarzyć w pomieszczeniu czystym, to wyciek wody lub uszkodzenie maski litograficznej – unikalnego wzoru struktury chipa. Jego wymiana to koszt sięgający setek tysięcy dolarów.

Gdy tylko coś jest nie tak z maskami, najważniejsi szefowie natychmiast gromadzą się wokół maszyny. „Za dużo kapitanów, za mało załogi” – komentuje Kim. Menedżerowie z niepokojem obserwują, jak zagłębia się pod maskę urządzenia, próbując znaleźć źródło problemu. Nie ośmielają się ingerować – doskonale wiedzą, że splątana sieć przewodów i soczewek jest zbyt skomplikowana, by mogli się wtrącać.

Rozplątanie tego węzła gordyjskiego może zająć tygodnie. Jeśli jednak legion pielęgniarek i pielęgniarzy ASML nie jest w stanie znaleźć rozwiązania, wzywani są specjaliści z Veldhoven. Kluczowe znaczenie ma czas – im dłużej problem pozostaje nierozwiązany, tym wyżej przesuwa się w hierarchii eskalacji, aż w końcu trafia do samych projektantów maszyny.

Największe zagadki niedziałających maszyn ASML

Wim Pas doskonale pamięta swoją największą zagadkę. Kierownik zakładu TSMC na północ od Phoenix zmagał się ze słynną maszyną zanurzeniową, która w niewytłumaczalny sposób przez dwie godziny po każdym uruchomieniu produkowała wadliwe chipy, a potem działała bez zarzutu, jakby nigdy nic się nie stało. Ustalenie przyczyny tej anomalii zajęło całe miesiące badań. Za każdym razem, gdy maszyna się zatrzymywała, pięć kropel wody spadało na warstwę kleju, powodując jej mikroskopijne rozszerzenie – zaledwie o kilka nanometrów. To wystarczyło, by zaburzyć wzór chipa. A gdy wilgoć wyparowywała, klej kurczył się, nie pozostawiając żadnego śladu po błędzie.

Takie problemy ujawniają się dopiero w brutalnej rzeczywistości hali produkcyjnej. Nawet po latach skrupulatnego planowania nie da się przewidzieć połowy usterek, które mogą wystąpić w tych maszynach. Właśnie dlatego ASML dopracowuje projekt dopiero wtedy, gdy pracują wszystkie silniki. To jedyny sposób, by odkryć, które komponenty zużywają się najszybciej. Jak mówi Pas: „Dopiero tutaj wychodzą na jaw wszystkie słabości projektu”. W takich momentach pozostaje tylko mieć nadzieję, że dostępne są części zamienne. Przy urządzeniu składającym się z tysięcy unikalnych komponentów niemal niemożliwe jest przewidzenie i przygotowanie się z wyprzedzeniem na to, który element ulegnie awarii jako pierwszy.

Dział sprzedaży ASML negocjuje z producentami chipów, które ulepszenia obejmuje gwarancja, a za które aktualizacje muszą zapłacić sami. Inżynierowie serwisu trzymają się z dala od rozmów finansowych. Ich codzienna praca w fabrykach jest już wystarczająco wymagająca. Znajdują się bezpośrednio na linii ognia. Muszą skupić się wyłącznie na utrzymaniu maszyn w ruchu. Nie mają czasu na rozpraszacze.

Maszyna litograficzna jest optymalizowana za pomocą specjalnych „receptur”. Podobnie jak bolid Formuły 1, który dostaje indywidualny tuning na każdy tor, każda maszyna jest precyzyjnie dostrojona do rodzaju produkowanych chipów. Producenci chipów oczekują, że ich urządzenia będą działać z „pełną wydajnością”, ale – jak wyjaśnia Wim Pas – nie każda maszyna jest identyczna. „Wyobraź sobie, że kupujesz dwa identyczne samochody. Jeden osiąga 150 km/h, a drugi 180 km/h. Moim zadaniem jest przekonanie producentów chipów, żeby cieszyli się z tego szybszego, zamiast narzekać, że drugi nie przekracza 150”.

Tak jak Coca-Cola nie chce zdradzić swojej sekretnej receptury, tak receptury produkcji chipów są trzymane w tajemnicy. Jeśli jednak producenci za dużo majstrują i stwarzają problemy z maszyną, Veldhoven kontaktuje się z nimi, by dowiedzieć się dlaczego.

Krowy zakłócały pracę fabryki

Nieprzewidywalne komplikacje nie ograniczają się do mechaniki maszyn. Pomimo wszelkich starań pomieszczenia czyste nie zawsze mogą uniknąć wpływu świata zewnętrznego. Trzęsienia ziemi i wahania ciśnienia atmosferycznego spowodowane burzami mogą zakłócić proces litografii. A czasem winne są… krowy. Intel zmagał się kiedyś z niewytłumaczalnym spadkiem wydajności każdej nocy przez kilka godzin. Naukowcy bezskutecznie szukali przyczyny – aż w końcu odkryli, że powodem były gazy wydzielane przez pasące się w pobliżu krowy.

Każdej nocy między 1.00 a 2.00 wiatr zmieniał kierunek i metan z pobliskich gospodarstw dostawał się do pomieszczenia czystego przez system oczyszczania powietrza. Dodatkowa dawka gazu od śpiących sąsiadów wystarczała, by zakłócić proces produkcji i obniżyć odsetek bezbłędnych chipów w tym przedziale czasowym. Ponieważ filtrowanie metanu okazało się niemożliwe, Intel musiał zapłacić za przeniesienie trzech farm. Od tamtej pory każdy, kto wybiera lokalizację pod fabrykę chipów, wie, że warto mieć oko na krowy.

Nowoczesne maszyny litograficzne są ledwo słyszalne przez szum klimatyzatorów. Starsze modele, takie jak PAS 5500, można rozpoznać po charakterystycznym metalicznym chrząknięciu, jakie wydają przy uruchomieniu – pracownicy ASML nazywają je „rykiem”. Jeśli usłyszysz ten dźwięk podczas startu, oznacza to, że wszystko działa jak należy. Małe niespodzianki kryją się także w oprogramowaniu ASML – ci, którzy o tym wiedzą, mogą dla zabicia czasu zagrać w Snake’a, klasyczną grę znaną ze starych telefonów Nokii. Dni w pomieszczeniach czystych potrafią się dłużyć.

Jednak w fabrykach chipów zdarzają się jeszcze dziwniejsze rzeczy. Około dwudziestu lat temu system litograficzny w jednej z fabryk w Arizonie regularnie ulegał awariom. „Nie było żadnego technicznego wyjaśnienia – wspomina inżynier z zakładu. – I nie chodziło tylko o sprzęt ASML, wszystkie systemy miały problemy. Kierownik fabryki był na skraju załamania, dopóki ktoś nie zwrócił mu uwagi, że zakład został zbudowany na starym cmentarzysku rdzennych Amerykanów. Doszedł do wniosku, że to musi być to – fabryka jest przeklęta”.

Wezwano szamana. Od razu coś przykuło jego uwagę: betonowe obeliski postawione przy wejściu do fabryki przypominały nagrobki. Wskazał na nie – jeśli chcecie uspokoić duchy, dobrym punktem wyjścia byłoby ich usunięcie. Szaman kontynuował działania, zakładając kombinezon do pomieszczeń czystych i dokonując inspekcji linii produkcyjnej. Po długim milczeniu odwrócił się z powrotem do kierownika. „Duchy przyciąga czerwień” – zasugerował i cicho wyszedł.

Decyzja zapadła. „Jeśli duchy chcą czerwieni, to ją dostaną”. Wzrok kierownika padł na kartonowe pudełko po soczewkach – miało najintensywniejszy odcień czerwieni. Złożył je w trójkątny kształt przypominający namiot tipi i umieścił na maszynie litograficznej.

Problemy zniknęły jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki. Czerwona skrzynka stała na maszynie przez lata – nikt nie miał odwagi jej ruszyć. Gdy fabryka chipów zamówiła kolejną maszynę, zapytano pracowników ASML: „Czy moglibyście umieścić małe czerwone tipi także na tej drugiej maszynie?”. „Oczywiście” – brzmiała odpowiedź.

Powyższy fragment pochodzi z książki „ASML. Chipy, wojna technologiczna i najważniejsza maszyna świata” autorstwa Marc Hijinka, która została wydana przez wydawnictwo Prześwity