अमृतांशु नेरुरकर,‘चिप’-उद्योगात कार्यरत असलेले तज्ज्ञ
सेमीकंडक्टर चिपची निर्मितीप्रक्रिया कोणत्याही मानवनिर्मित उत्पादनापेक्षा अधिक गुंतागुंतीची आहे. तिची पुरवठा साखळी जगभरात विखुरलेली आहे..
माणसाच्या केवळ एका बोटावर मावेल एवढय़ा आकाराच्या पण आत असलेल्या कोटय़वधी ट्रान्झिस्टर्सच्या आधारे उच्च कोटीची गणनक्षमता प्राप्त झालेल्या व त्यामुळेच संपूर्ण डिजिटल विश्वाचा आधारस्तंभ असलेल्या सेमीकंडक्टर चिपची निर्मितीप्रक्रिया ही आजघडीला पृथ्वीवर आढळणाऱ्या कोणत्याही मानवनिर्मित उत्पादनापेक्षा अधिक गुंतागुंतीची आहे. म्हणूनच या चिपची निर्मिती करणारा कारखाना हा उत्पादन क्षेत्रातील एक विलक्षण अभियांत्रिकी चमत्कार आहे असं म्हणणं अतिशयोक्ती ठरणार नाही. या कारखान्यांमधून वर्षांचे ३६५ दिवस, दिवसाचे २४ तास हजारोंच्या संख्येने चिपनिर्मिती अविरत सुरू असते.
पण चिपची प्रत्यक्षात होणारी निर्मिती ही या प्रक्रियेची पहिली पायरी नाही. चिपनिर्मिती प्रक्रिया सुरू होते ती चिपच्या आरेखनकारांकडून (आर्किटेक्ट्स) चिपची संरचना (डिजाइन) बनविण्यापासून! एखादा स्थापत्यविशारद जसा इमारत उभारायच्या आधी तिची विस्तृत रूपरेषा (ब्लूपिंट्र) तयार करतो अगदी त्याचप्रमाणे चिप आर्किटेक्टदेखील प्रत्येक प्रकारच्या (लॉजिक चिप, मेमरी चिप वगैरे) आणि प्रत्येक आकाराच्या (ट्रान्झिस्टरची नॅनोमीटरमध्ये मोजलेली लांबी) चिपसाठी एक स्वतंत्र ब्लूपिंट्र तयार करतो.
कोणत्याही चिपची उंची केवळ एका मिलिमीटर एवढी जरी असली तरीही आरेखनाच्या दृष्टीने चिपची तुलना एका गगनचुंबी इमारतीशीच करता येईल. आज वापरात असलेल्या लॉजिक चिपमध्ये किमान ३० स्तर असतात, इथे एका स्तराची तुलना इमारतीच्या एका मजल्याशी करता येईल. प्रत्येक स्तरावर चिपच्या निरंतर कार्यक्षमतेसाठी उपयोगी असे विविध घटक (जसे ट्रान्झिस्टर्स, तारांच्या जोडण्या वगैरे) असतात, त्यांना तांत्रिक भाषेत ‘इंटर-कनेक्ट्स’ असं म्हटलं जातं. अक्षरश: नॅनोमीटरमध्ये लांबी व रुंदी असलेल्या अशा कोटय़वधी घटकांमुळे चिपनिर्मिती प्रक्रिया अत्यंत जटिल होऊन बसते. चिपच्या संरचनेची संगणकीय ब्लूपिंट्र घेऊन त्यांच्यामधून चिपआरेखनाचा एक काचेचा साचा (टेम्प्लेट) तयार केला जातो. साचा बनविण्याच्या या प्रक्रियेला ‘मास्किंग’ असं म्हटलं जातं. या साच्यांचा वापर करूनच पुढे चिपमध्ये असलेल्या इलेक्ट्रॉनिक सर्किटचा ठसा सिलिकॉनच्या चकत्यांवर उतरवला जातो.
चिपची प्रत्यक्ष निर्मिती, जिला फॅब्रिकेशन असं संबोधलं जातं, ही संपूर्ण प्रक्रियेतील सर्वाधिक खर्चिक, वेळकाढू व जटिल पायरी आहे. आजघडीला चिपनिर्मितीचा एक कारखाना किंवा ‘फॅब’ उभारायचा खर्च हा १५०० ते २००० कोटी अमेरिकी डॉलर एवढा अतिप्रचंड आहे. एका फॅबमध्ये (जिचं क्षेत्रफळ हे सामान्यत: अडीच लाख स्क्वेअरफूट एवढं सहज भरेल) चिपनिर्मितीसाठी लागणारी जवळपास १२०० प्रमुख उपकरणं तर या प्रमुख उपकरणांच्या अविरत कार्यक्षमतेसाठी विविध सुविधा पुरवणारी जवळपास १५०० उपकरणं असतात. एका प्रमुख उपकरणाची किंमत किमान २० लाख अमेरिकी डॉलर असते. तर ‘फोटोलिथोग्राफी’ची प्रक्रिया करणाऱ्या (चिपनिर्मितीच्या या अत्यंत महत्वाच्या प्रक्रियेबद्दल आपण पुढे जाणून घेणार आहोत) एका उपकरणाची किंमत सहज २० ते ३० कोटी अमेरिकी डॉलर एवढी भरते.
गेल्या दोन दशकांत सेमीकंडक्टर चिप तंत्रज्ञान ९० नॅनोमीटर वरून ७ नॅनोमीटरवर येऊन ठेपलंय. एका बाजूला उपलब्ध जागेत जास्तीत जास्त ट्रान्झिस्टर्स बसविण्याचे तंत्रज्ञान तयार होत आहे तर दुसऱ्या बाजूला (२००० सालच्या तुलनेत) हा फॅब उभारण्याचा खर्च १५ ते २० पटींनी वाढला आहे. साहजिकच अगदी हाताच्या बोटावर मोजता येतील एवढय़ा कंपन्याच आज चिपनिर्मिती (विशेषत: लॉजिक किंवा मेमरी चिप) करू शकतात. लॉजिक चिपचा विचार करायचा झाला तर जिथे २००० साली दीड ते दोन डझन कंपन्या चिपनिर्मिती क्षेत्रात होत्या तिथे आज १०, ७ किंवा त्याहूनही कमी नॅनोमीटर तंत्रज्ञान वापरून अत्याधुनिक चिपनिर्मिती करणाऱ्या केवळ तीन कंपन्या (इंटेल, टीएसएमसी व सॅमसंग) अस्तित्वात आहेत.
कोणत्याही फॅबमध्ये वर उल्लेखलेली प्रमुख उपकरणं सामान्यपणे एका मध्यवर्ती खोलीत विराजमान झालेली असतात. या खोलीला ‘क्लीन रूम’ असं म्हटलं जातं. खरं तर क्लीन रूम ही फॅबचा कणा असते कारण इथेच त्या १२०० उपकरणांच्या मदतीने एका पिझ्झाच्या आकाराच्या वर्तुळाकार सिलिकॉन चकतीवर शेकडो चिप निर्मिल्या जातात. क्लीन रूममधलं तापमान, हवेचा तसेच विजेचा दाब नियंत्रित राहील याची पुरेपूर काळजी घ्यावी लागते. त्याचप्रमाणे वापरात येणारं पाणी, इतर रसायनं व वायू यांच्या शुद्धतेची १०० टक्के हमी द्यावी लागते. कारण अगदी सूक्ष्म प्रमाणातील अशुद्धताही चिपच्या कार्यक्षमतेला कायमस्वरूपी हानी पोहोचवू शकते. क्लीन रूममध्ये काम करणाऱ्या तंत्रज्ञांनाही म्हणूनच सर्व अंग झाकणारा व अंतराळवीरांसारखा दिसणारा पोशाख परिधान करावा लागतो, ज्याला ‘बनी सूट’ म्हटलं जातं.
फॅब प्रक्रियेची निष्पत्ती म्हणजे सिलिकॉन वेफर किंवा चकतीवर शेकडो आयताकृती चिप्सची निर्मिती! या चिपचे वापरास योग्य अथवा अयोग्य अशा प्रकारे वर्गीकरण (सॉर्टीग) करणे ही फॅबच्या पुढची पायरी. यातून ज्या वापरास योग्य अशा चिप निवडल्या जातात त्यांना मशीनच्या साहाय्याने रिळांवर चढवलं जातं व असे चिपने ठासून भरलेले रीळ हे निर्मिती प्रक्रियेच्या पुढील पायरीवर, म्हणजेच ‘जुळवणी व चाचणी’ (असेम्ब्ली – टेिस्टग) केंद्रात पाठवले जातात.
जुळवणी व चाचणी केंद्रांमध्ये तंत्रज्ञ रिळावरील प्रत्येक चिप वापरण्यास योग्य आहे का याची पुन्हा एकदा पडताळणी करतात. विविध प्रकारच्या चाचण्यांतून तावूनसुलाखून निघाल्यावर चिपला विकण्यायोग्य बनविण्याची प्रक्रिया सुरू होते. प्रत्येक चिप ही वरच्या बाजूने एक उष्णता प्रसारक (हीट स्प्रेडर) व खालील बाजूने एक सबस्ट्रेट या दोघांमध्ये बसवली जाते. अशा बंदिस्त पॅकेजिंगमुळे चिपला संरक्षण तर मिळतंच पण त्याच्या बरोबरीने तिचं हवेतील प्रदूषकांमुळे किंवा उष्णतेमुळे होणारं नुकसानही टाळलं जातं. सबस्ट्रेट हा तर चिपच्या कार्यक्षमतेच्या दृष्टीने महत्त्वाचा असलेला एक कळीचा घटक, ज्यामुळे संगणक वा कोणत्याही डिजिटल उपकरणाच्या सर्किट बोर्ड किंवा पीसीबीबरोबर चिपची विद्युत जोडणी अगदी विनासायास होऊ शकते. कोविड काळात निर्माण झालेल्या चिप तुटवडय़ामागे सबस्ट्रेटची अनुपलब्धता हे सर्वात मोठे कारण होते.
अशा पॅकेज स्वरूपात तयार झालेल्या चिपच्या कार्यक्षमतेची एक अखेरची चाचणी जुळवणी – चाचणी केंद्रांमध्ये केली जाते व त्यानंतर चिपनिर्मिती प्रक्रियेतील चिपच्या वितरणास साहाय्यभूत ठरणाऱ्या शेवटच्या टप्प्याला सुरुवात होते. हा टप्पा, ज्याला ‘वेअरहाऊसिंग’ असंही संबोधलं जातं, म्हणजे लॉजिस्टिक्स कंपन्यांच्या मदतीने चिपची रवानगी थेट (डायरेक्ट) किंवा किरकोळ (रिटेल) ग्राहकांकडे, विविध खंडांत उभारलेल्या वितरण केंद्रांमध्ये किंवा कंपनीच्या गोदामांमध्ये करणे.
चिपच्या निर्मिती प्रक्रियेइतकीच चिपची पुरवठा साखळी गतिमान तरीही अत्यंत गुंतागुंतीची व जगभरात विखुरलेली आहे. चिपचे आरेखन हे पूर्वापारपासून अमेरिकाकेंद्रित राहिले आहे. गेल्या दोनएक दशकात दक्षिण कोरिया, चीन आणि भारतानेदेखील या क्षेत्रात आघाडी घेतली आहे. चिपसाठी लागणारा कच्चा माल (सिलिकॉन वेफर, हीट स्प्रेडर, सबस्ट्रेट वगैरे) मुख्यत्वेकरून जपानमधून येतो.
गेल्या दीड एक दशकापासून चिपचे उत्पादन ही पूर्व आशियाई देशांची मक्तेदारी ठरली आहे. मेमरी चिपनिर्मितीचा ९० टक्के बाजारहिस्सा तर लॉजिक चिपचा ७५ टक्के बाजारहिस्सा आज पूर्व आशियाई देशांनी काबीज केला आहे. तैवान, दक्षिण कोरिया, सिंगापूर आणि काही प्रमाणात चीन व जपान एवढय़ा पाचच देशांत जवळपास सर्व चिपनिर्मिती कंपन्यांची उत्पादन केंद्रे आहेत. एकमेव ‘इंटेल’चा अपवाद वगळता, जिची चिपनिर्मिती आजही प्रामुख्याने अमेरिका आणि युरोपस्थित कारखान्यांतून होते, इतर सर्व सेमीकंडक्टर कंपन्यांची (मूळ अमेरिकी कंपन्यांसकट) चिपनिर्मिती केंद्रे पूर्व आशियाई देशांतच आहेत.
चिपनिर्मितीसाठी लागणारी उपकरणे मुख्यत: युरोपीय देश पुरवतात तर चिपची जुळवणी – चाचणी केंद्रे ही मलेशिया, व्हिएतनाम, चीन अशा पूर्व आशियाई देशांतच आहेत. तयार झालेल्या चिपला कोणत्याही डिजिटल उपकरणांत बसवण्यासाठी उभारलेली जवळपास सर्व असेम्ब्ली केंद्रे ही चीनमध्ये आहेत. थोडक्यात आपल्या एका बोटावर मावणाऱ्या चिपच्या पुरवठा साखळीत एक आफ्रिका वगळला तर इतर सर्व खंडातील विविध देश गुंतलेले आहेत. म्हणूनच चिपनिर्मिती प्रक्रियेत आपला वाटा देणाऱ्या वेगवेगळय़ा देशांचे अन्योन्यसंबंध कसे आहेत मुख्यत्वेकरून त्यावरच चिपच्या पुरवठा साखळीची सुदृढता अवलंबून असते.
