Chipherstellung bei AMD in Dresden
Ein ausgewählter Artikel aus Heft 11
In der Nähe von Dresden befindet sich die einzige Mikroprozessorenfabrik Europas, die "Fab 30" von AMD (Advanced Micro Devices). Mit "Fab 30" wird dabei im Sprachgebrauch von AMD ein Einzelwerk bezeichnet, das 30 Jahre nach Firmengründung seinen Betrieb aufnahm. Das Dresdner Werk wurde in kürzester Zeit aus dem Boden gestampft und zählt zu den modernsten Anlagen seiner Art weltweit. Grund genug für uns, uns trotz der nicht gerade kurzen Entfernung um einen Besichtigungstermin zu bemühen, den wir recht unkompliziert mit Frau Karin Jeltsch, zuständig für Öffentlichkeitsarbeit, vereinbaren konnten.
Am Freitag, dem 3. 11. 2000, brachen wir um 6 Uhr morgens nach Dresden auf, wo wir nach etwa 4 1/2-stündiger Fahrt ankamen, ausgerüstet mit dem modernsten High-Tech Equipment wie Videokamera, digitalen Fotoapparaten und Tonbandgerät. Leider wurde uns die Benutzung dieser Geräte aus Sicherheitsgründen nicht erlaubt. Eine Ausnahme gab es nur im Konferenzraum, wo uns Frau Jeltsch und später auch Herr Dr. Paesch, Leiter des Prüffeldes "Test 30", unsere Fragen beantworteten.
Rund 3,2 Milliarden DM hat der Firmengründer und AMD-Chef Jerry Sanders inzwischen seit dem Baubeginn im Herbst 1996 investiert. Wie kommt ein amerikanischer Großunternehmer, der Werke auf der ganzen Welt besitzt, ausgerechnet auf den Standort Dresden? Dafür gibt es mehrere Gründe, erklärte uns Frau Jeltsch. Bereits vor der Wende war Dresden ein High-Tech-Standort - allein das Robotron-Werk hatte an die 5000 Mitarbeiter -, sodass man auf viele hochqualifizierte Arbeitskräfte zurückgreifen konnte. Außerdem weist die Region eine hervorragende Bildungsinfrastruktur auf: Neben einer technischen Universität in Dresden und einer in Chemnitz gibt es mehr als 20 Forschungsinstitute in der Nähe. Von großer Bedeutung war auch das gute politische Klima in Sachsen. Viele Politiker haben dort eine naturwissenschaftliche Ausbildung und konnten von daher die Bedeutung einer derartigen Werksgründung richtig einschätzen, sowohl was die Aussichten der Chip-Technik in der Zukunft als auch was die Auswirkungen auf die mittelständischen Zuliefererbetriebe in der Umgebung angeht. Natürlich war es auch wichtig, dass Sachsen ein ausreichend großes Areal (ca. 42 ha) in Autobahn- und Flughafennähe zur Verfügung stellen konnte, und auch die staatlichen Fördermittel in Höhe von 800 Millionen DM spielten eine Rolle, wenngleich man sagen muss, dass es derartige Fördermittel in vergleichbarer Höhe an vielen anderen Standorten auch gegeben hätte. Nicht ganz unwichtig war, dass Infineon mit der Wahl des Standortes Dresden bereits erfolgreich war.
Seit Ende 1999 werden im AMD-Werk bei Dresden Prozessoren in Serie hergestellt. Von den inzwischen etwa 1800 Beschäftigten ist jeder Dritte Akademiker. Gefragt sind Elektrotechniker, Ingenieure, Physiker, Chemiker und Mikrosystemtechniker. Gearbeitet wird hier immer mit der allerneuesten Technik und es wird großer Wert auf Teamarbeit gelegt. Wie in amerikanischen Betrieben üblich, werden Hierarchien flach gehalten (sogar Chefs können mit dem Vornamen angesprochen werden) und es herrscht das "Prinzip der offenen Türen", d. h. Mitarbeiter können sich nicht abkapseln und sind jederzeit ansprechbar.
Auf die Frage nach dem Verdienst erhielten wir keine klare Antwort. Frau Jeltsch bezeichnete das Einkommen der Mitarbeiter aber als gut, vor allem wenn man die Prämien mit einbezieht, die es für gute Arbeit gibt. Wichtig ist auch das ausgezeichnete Betriebsklima. Gut motivierte Mitarbeiter stellen einen Wettbewerbsvorteil dar. AMD sieht die Beschäftigten nicht nur als Lohnkostenverursacher, sondern auch als Kapital.
Neben Mikroprozessoren für PCs werden von AMD Flash-Speicher, z. B. für Handys, hergestellt, die zwar in Japan produziert, aber in Dresden weiterentwickelt werden. Derartige Speicher haben im Vergleich zu Mikroprozessoren konstante Marktpreise und bilden das zweite wichtige Standbein von AMD.
Die "Fab 30" in Dresden ist das modernste aller AMD-Werke. Alle AMD-Prozessoren mit einer Taktfrequenz ab 1 GHz, z. B. der Athlon, werden hier produziert. Die älteren Modelle (z. B. der K6) kommen aus Austin, Texas.
Der einzige Konkurrent, den AMD nach dem Ausscheiden von Cyrix Ende 1998 hat, ist Intel. Doch der machte in den Jahren 1996 bis 1999 erhebliche Probleme. Nachdem Intel mit der Einführung des Celeron Prozessors in den bisher von AMD (z. B. mit dem K6) dominierten Low-Price Markt eingedrungen war, kam es zu einem erbitterten Preiskrieg, in dem AMD enorme Verluste hinnehmen musste. Der Marktanteil von AMD am Prozessormarkt betrug 1999 17% bezogen auf die Stückzahl, was einem Umsatz von 2,9 Milliarden $ entsprach. Zum Vergleich: der Umsatz von Intel betrug im gleichen Zeitraum 29,4 Milliarden $.
AMD konnte nur durch ständige Weiterentwicklung und Forschung überleben. Um Intel Paroli bieten zu können, entschied sich AMD mit dem unter enormem Entwicklungs- u. Kostenaufwand entstandenem K7/Athlon-Prozessor erstmals Anteile im High-End Markt zu erobern.
AMD war sogar in der Lage den GHz-Prozessor kurz vor Intel auf den Markt zu bringen. Da Intel mit eigenen Problemen und einer Rückrufaktion zu kämpfen hatte, konnte AMD seine Situation weiter verbessern. Aufgrund der vielen in die Forschung investierten Gelder wurde Intel in der Anzahl der angemeldeten US-Patente von AMD sogar überholt. Um auch im Low-Price Sektor weiter bestehen zu können entwickelte AMD eine preisgünstigere Version des Athlon-Prozessors, den Duron, der ebenfalls sehr erfolgreich ist.
Zur Entwicklung eines neuen Prozessors sind nicht nur jede Menge Geld, sondern auch immenses Know-How und viel Zeit erforderlich. Die Architektur neuer Prozessoren wird allerdings nicht in Dresden, sondern im Hauptquartier von AMD in Sunnyvale, Kalifornien, entworfen. Es arbeiten hier zwei getrennte Teams mit je etwa 180 Ingenieuren. Während das eine Team beispielsweise gerade den K6 herausbringt, arbeitet das andere, das für den K5 verantwortlich war, schon am K7 und versucht dabei natürlich den K6 zu überbieten. Durch diesen firmeninternen Wettbewerb werden die Mitarbeiter besonders motiviert. Der Entwurf eines neuen Prozessors erfordert ungefähr zwei Jahre Zeit und bis zur Marktreife vergeht dann noch einmal gut ein Jahr.
Ausgangspunkt für die Produktion der Prozessoren sind Silizium-Scheiben mit einem Durchmesser von 20 cm, die sog. Wafer. Auf diese werden in mehreren hundert Arbeitsschritten die Strukturen aufgebracht, die für die Prozessoren erforderlich sind, also z. B. viele Millionen Transistoren. Im Prinzip geht man so vor: Die Wafer werden gereinigt und mit einer Oxid- und einer Lackschicht überzogen. Anschließend wird mit dem sog. Stepper belichtet. An den belichteten Stellen wird der Lack entfernt und die darunter liegende Oxidschicht weggeätzt, sodass das Silizium hier freiliegt und unter geeigneten Bedingungen "dotiert" werden kann. Dabei bringt man gezielt Fremdatome in geringen Mengen ein und es entstehen z. B. Transistoren. Durch Wiederholung des Verfahrens erzeugt man bis zu 25 Schichten auf dem Wafer. Dieser komplizierte Prozess findet in einem Reinraum statt, da bereits kleinste Staubteilchen die feinen Strukturen zerstören könnten. Die "Fab 30" verfügt zu diesem Zweck über einen 9000 m² großen Reinraum der Klasse 100. In einem solchen Reinraum befinden sind in einem Drittel Kubikmeter Luft maximal 100 Staubteilchen. Zum Vergleich: Im gleichen Volumen normaler Luft gibt es mehrere Millionen Staubteilchen. Innerhalb der Transportbehälter, in denen die Wafer im Werk computergesteuert über ein Schienensystem an der Decke zu den verschiedenen Bearbeitungsstellen transportiert werden, und innerhalb der Maschinen liegt sogar die Reinraumklasse 1 vor. Sauberer geht es nicht.
Zur elektrischen Verbindung der Halbleiterelemente sind dünne Metallleitungen notwendig. Standardmaterial war bisher Aluminium. Kupfer leitet zwar besser, doch war dieses Metall bisher verpönt, weil Kupferatome langsam in Siliziumschichten eindiffundieren. AMD hat dieses Problem gelöst und setzt bereits die zukunftsorientierte Kupfertechnologie ein. Im Gegensatz zu der von Intel verwendeten Aluminiumtechnologie erlaubt sie wegen der besseren elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers schmälere Leiterbahnen und damit insgesamt kleinere Strukturen und so auch höhere Taktraten der Prozessoren. Taktfrequenzen deutlich über 1 GHz werden mit der Aluminiumtechnologie kaum zu realisieren sein. Intel ist jetzt gezwungen enorme Summen in Forschung und Umbau der Produktionsanlagen zu investieren, damit die Marktführung auf lange Sicht erhalten bleibt. AMD glaubt in der Kupfertechnologie einen Vorsprung von etwa 11/2 Jahren zu haben.
Nach der Fertigstellung werden alle Prozessoren auf einem Wafer getestet. Es wird also geprüft, ob bei der Herstellung Fehler aufgetreten sind. Da ein Test aller logischen Funktionen wegen der Kompliziertheit der modernen Prozessoren schon seit etwa 20 Jahren nicht mehr durchführbar ist, führt man neben optischen nur noch bestimmte elektrische Überprüfungen durch. Man geht davon aus, dass das logische Verhalten eines Prozessors stimmt, wenn gewisse elektrische Daten in Ordnung sind. Außerdem werden stichprobenartig einige Prozessoren unter extremen Bedingungen auf ihre Lebensdauer geprüft. Auf die Frage nach dem Ausschussanteil erhielten wir leider genauso wenig eine Antwort wie auf die Frage nach der Zeit, die notwendig ist, damit aus einer blanken Siliziumscheibe ein wertvoller Waver mit zahlreichen Chips wird. Auch die genaue Zahl an Prozessoren, die auf einem Wafer Platz finden, ist offenbar ein Betriebsgeheimnis.
Das AMD-Werk benötigt zur Herstellung der Chips so viel Energie wie eine Kleinstadt. Dabei werden an die Versorgung mit elektrischem Strom besondere Anforderungen gestellt: Die Spannung darf keinerlei Schwankungen aufweisen. Die elektrische Energie wird deshalb nicht dem öffentlichen Netz entnommen, sondern von einem eigenen Heizkraftwerk in unmittelbarer Nähe geliefert. Auch die Chemikalien müssen außergewöhnlichen Ansprüchen genügen: Sie müssen extrem rein sein, sodass man sie nach ihrer Verwendung noch in anderen Betrieben für weniger kritische Prozesse verwenden kann. Durch diese Wiederverwendung trägt AMD zum Umweltschutz bei.
Für die Zukunft plant AMD einen neuen 64 Bit Prozessor mit dem eindrucksvoll klingenden Codenamen "Sledge Hammer". Im Gegensatz zu Intels "Itanium" wird der "Sledge Hammer" nicht nur die neuen 64 Bit Befehle beherrschen, sondern auch noch abwärtskompatibel zu aktueller 32 Bit Software sein. Dies könnte sich zu einem weiteren Vorteil für AMD entwickeln, da ein kompatibler Prozessor wesentlich leichter vom Markt angenommen werden dürfte.
Die weitere Entwicklung im Prozessormarkt ist nur sehr schwer abzusehen. Vor einigen Jahren wurde in Fachkreisen prognostiziert, dass es nie möglich sein wird die GHz-Grenze zu überschreiten. Das ist inzwischen geschehen. Bereits in den 60er Jahren hatte der damalige Intel-Chef Gordon Moore vorausgesagt, dass sich alle 18 Monate die Zahl der Transistoren auf gleicher Grundfläche verdoppeln wird. Dies wurde als "Moore'sches Gesetz" bekannt und hat sich bisher bewahrheitet. Irgendwann jedoch wird mit Sicherheit eine Grenze erreicht sein, weil die einzelnen Schichten im Extremfall nicht dünner als ein Atom gemacht werden können. Bereits bei den heutigen Prozessoren sind manche Schichten nur 15 bis 20 Atome "dick". Doch auch dann, wenn man an die physikalischen Grenzen der Technik gestoßen ist, besteht die Chance noch leistungsfähigere Mikroprozessoren zu bauen: Bessere Befehlssätze und Parallelverarbeitung auf einem Chip könnten dies ermöglichen.
In regelmäßigen Abständen kommen die wichtigsten Firmen der Branche zur Mikroprozessorkonferenz auf Hawaii zusammen. Dort werden die neuesten Entwicklungen präsentiert, damit kompatible Software hergestellt werden kann. Es werden zwar die Funktionen vorgestellt, aber es wird nicht verraten, wie diese im Prozessor umgesetzt werden. Diese Geheimhaltung geht sogar so weit, dass uns am Empfang verboten wurde das Gebäude von außen zu fotografieren, obwohl man vergleichbare Bilder auf der Homepage des Werkes (www.amd.com/germany/fab30) finden kann. Allgemein empfanden wir das Betriebsklima bei AMD jedoch als locker und wir bedanken uns bei den Mitarbeitern, die sich viel Zeit zur Beantwortung unserer Fragen nahmen.
Thomas Brandl, KS 12
Patrick Kugler, KS 12
Thomas Schamberger, KS 12
Philipp Weber, KS 12