為什么造芯片看起來比造火箭還難？

芯片短缺問題重創(chuàng)了汽車制造商和科技巨頭，給全世界各行各業(yè)敲響了警鐘。

這場芯片危機帶來了一個基本問題：為什么無法生產(chǎn)足量的芯片?

答案即簡單又復雜。簡而言之，制造芯片極其困難，而且越來越難。

芯片行業(yè)有種說法頗有調(diào)侃意味，“芯片不是造火箭，但比起造火箭難得多?！?/p>

往復雜了說，建設能造芯片的設施不僅需要數(shù)年時間，動輒還要幾十億美元。

對于行內(nèi)企業(yè)來說，即便花得起錢和時間，如果制造技術趕不上競爭對手，也會失去優(yōu)勢。英特爾前總裁克雷格·巴雷特(Craig Barrett)就說，公司制造的芯片是人類有史以來制造的最復雜設備。

全世界都在考慮自行制造芯片，但成功并非十拿九穩(wěn)。

造出一款芯片通常需要三個多月的時間，要有大型工廠、完全無塵的潔凈室、價值數(shù)百萬美元的機器、錫液以及激光。整合這么多要素的最終目標是將一塊塊硅片變成由數(shù)十億個晶體管組成的微小開關網(wǎng)絡。這些晶體管構成各種設備電路的基礎，最終讓電話、電腦、汽車、洗衣機或衛(wèi)星得以實現(xiàn)各自的關鍵功能。

如此小卻又如此復雜

大多數(shù)芯片是運行軟件、處理數(shù)據(jù)和控制電子設備功能的電路組。不同芯片中的電路排列不同，用途也各不相同。以英偉達的圖形圖像芯片GeForce RTX 3090為例，目前這是能將計算機代碼轉換為視頻游戲圖形的最好芯片。

英偉達的圖形圖像芯片GeForceRTX3090

芯片企業(yè)總想在單個硅片中封裝更多的晶體管，從而提高性能和設備電源效率。英特爾制造的第一款芯片4004是在1971年問世的，其中只包含2300個大小為10微米的晶體管。在接下來的幾十年里，英特爾在芯片行業(yè)的領導地位一直無可爭議。但到了2015年至2020年，英特爾的這一優(yōu)勢地位不保。競爭對手臺積電和三星電子開始制造出晶體管體積更小的芯片，單個晶體管尺寸甚至小到5納米，也就是50億分之一米。相比之下，人類頭發(fā)的平均寬度是10萬納米。

芯片設計與制造

比手術室更干凈

在把硅片放入芯片制造機器之前，需要一個特別干凈的無塵室。單個晶體管比病毒還要小許多倍，一粒小小的塵埃就能造成嚴重破壞，白白燒掉數(shù)百萬美元。為了降低這種風險，芯片制造商選擇把制造機器安置在基本上沒有任何灰塵的潔凈室里。

比手術室還潔凈的芯片制造空間

為了維持這種清潔環(huán)境，潔凈室里中的空氣也要經(jīng)過不斷過濾，很少有人能進去。如果有一兩個以上從頭到腳包裹嚴實的員工出現(xiàn)在芯片生產(chǎn)線旁，這可能表明芯片生產(chǎn)出了問題。研發(fā)芯片產(chǎn)品的天才工程師們其實都遠在千里之外。

即便有這么多的預防措施，制造芯片的硅片也不能被工人直接接觸或暴露在空氣中。它們都被放置在盒子中，用安裝在潔凈室天花板軌道上的機器人來回移動。硅片只有在進入制造機器時才會從盒子的安全裝置中彈出，接下來才會進入芯片制造的關鍵流程。

原子級制造工藝

一塊芯片上有多達100層材料。要先堆積材料，然后移除部分材料，從而形成連接所有微型晶體管的復雜三維結構。其中有些單層材料甚至只有一個原子那么薄。應用材料、泛林集團和東京電子等公司生產(chǎn)的機器需要處理溫度、壓力、電場以及磁場等一系列變量，才能實現(xiàn)這一目標。

制造過程中最困難的部分之一是光刻，目前主要是由阿斯麥所生產(chǎn)的機器完成。阿斯麥生產(chǎn)的光刻機利用光蝕刻沉積在硅片上的材料。相應的蝕刻圖案最終成為晶體管。這一切的尺度是如此之小，以至于目前只能使用太空中才會自然存在的極紫外光完成刻蝕。為了在受控的環(huán)境中重現(xiàn)這一過程，阿斯麥的光刻機用激光脈沖照射錫液。當這種金屬蒸發(fā)時就會產(chǎn)生所需的極紫外光。但這還不夠，還需要用鏡子把光的波長變得更短。

光刻機前段設備就有59種以上，而后端也有8種類型的設備。硅片要經(jīng)過氧化和噴涂、光刻、顯影與烘干、刻蝕、摻雜、金屬沉積與刻蝕等多個步驟才能制造出成品晶圓。

巨額成本

芯片制造工廠7*24小時不間斷運行。之所以這么做是因為成本太高了。建立一個每月能生產(chǎn)5萬片晶圓的入門級工廠要花150億美元。其中大部分花在了專業(yè)設備上。這個市場的銷售額在2020年首次超過了600億美元。

英特爾、三星和臺積電這三家公司去年總營收達到1880億美元，他們在建設芯片制造工廠方面投入最多。每個工廠的成本超過200億美元，所采用技術也更先進。今年臺積電將在新建工廠和設備上投入多達280億美元。而美國計劃在五年內(nèi)為芯片行業(yè)提供500億美元的投資。

不論花多少錢，芯片工廠在5年或更短的時間內(nèi)就會過時。為了避免虧損，芯片制造商的每個工廠必須要貢獻30億美元的凈利潤。目前只有芯片行業(yè)最大的公司才有能力建造多家工廠。

而且芯片造的越多，才能造的越好。芯片成品率仍是最為關鍵的衡量標準，若低于90%就會引發(fā)嚴重問題。但要想提高成品率，芯片制造商只能通過不斷燒錢買教訓。

芯片行業(yè)殘酷的經(jīng)濟模式意味著，能趕上發(fā)展趨勢的公司越來越少。整個行業(yè)每年出貨約14億塊智能手機芯片，但大部分都是臺積電所制造的;英特爾在計算機芯片市場上占有80%的份額;而三星在存儲芯片領域占據(jù)主導地位。對其他所有公司來說，想打入這個市場并站穩(wěn)腳跟絕非易事?！矩熑尉庉?額發(fā)】

來源：創(chuàng)業(yè)邦

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