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看完芯片制造有多难 就知道美国为啥要逼韩国了

2021-10-17 | 5189

2021年半导体短缺正在打击汽车制造商和科技巨头。根据媒体报道的消息,近期美国向三星下达最后的“通牒”,要求45天内交出多项商业机密,其中就包括半导体库存、销售订单和销售记录等。很多人提出了一个基本问题:为什么我们不能制造更多的芯片?

有一个简单的答案,也有一个复杂的答案。简单的说法是,制造芯片非常困难,而且越来越难。

更复杂的答案是,建造半导体制造设施需要数年时间和数十亿美元。即便如此,如果你身处制造业,面临着失败的风险。前英特尔公司老板克雷格巴雷特称其公司的微处理器是人类制造过的最复杂的设备。

制造芯片通常需要三个多月的时间,涉及大型工厂、无尘室、价值数百万美元的机器、熔锡和激光。最终目标是将硅晶片(一种从普通沙子中提取的元素)转变为由数十亿个称为晶体管的微型开关组成的网络,这些开关构成了电路的基础,最终将赋予电话、计算机、汽车、洗衣机或卫星变得至关重要能力。

如此小而如此复杂

大多数芯片是一组运行软件、操作数据和控制电子设备功能的电路。这些电路的排列赋予了它们特定的用途。比如 Nvidia 的 GeForce RTX 3090,它目前最擅长将计算机代码转换为逼真的视频游戏图形。

芯片公司试图将更多的晶体管装入芯片中,以提高性能并使设备更加节能。英特尔的第一款微处理器 4004 于 1971 年发布,仅包含 2,300 个晶体管,节点尺寸为 10 微米,即百万分之一米。但英特尔在接下来几十年中无可争议的领导地位在 2015 年至 2020 年间结束,当时竞争对手台积电和三星电子开始制造具有更好晶体管的芯片:尺寸低至 5 纳米或十亿分之一米的芯片(相比之下,一根人发的平均宽度为 100,000 纳米。)

比手术更清洁

在将硅放入芯片制造机之前,您需要一个洁净室。一个非常干净的房间。单个晶体管比病毒小很多倍。仅仅一粒灰尘就会造成严重破坏和数百万美元的浪费。为了降低这种风险,芯片制造商将他们的机器安置在基本上没有灰尘的房间里。

在美国纽约州马耳他GlobalFoundries半导体工厂的洁净室里,一名穿着防护装备的员工走过机器

为了保持这种环境,空气不断被过滤,很少有人被允许进入。如果有超过一两个工人出现在芯片生产线上——从头到脚都裹着防护设备——这可能表明出现了问题。半导体设计和开发背后的真正天才在千里之外工作。

即使采取了所有这些预防措施,硅晶片也不能被人类接触或暴露在空气中。它们在由在天花板轨道上运行的机器人携带的弹药筒中的机器之间穿行。只有当它们在机器内部时,它们才会从这些墨盒的安全性中出现,并且是该过程中的关键步骤的时候了。

原子级制造

芯片由多达 100 层的材料组成。这些材料被沉积,然后部分去除,以形成连接所有微小晶体管的复杂三维结构。其中一些层只有一个原子薄。Applied Materials Inc.、Lam Research Corp. 和 Tokyo Electron Ltd. 制造的机器处理一系列变量,例如温度、压力以及电场和磁场,以实现这一目标。

该过程中最困难的部分之一是光刻,它由 ASML Holding NV 制造的机器处理。该公司的齿轮使用光将图案燃烧到沉积在硅上的材料中。这些图案最终成为晶体管。这一切都发生在如此小的规模上,目前使其工作的方法是使用极紫外光,这通常只在太空中自然发生。为了在受控环境中重现这一点,ASML 用激光脉冲加工熔化的锡滴。随着金属蒸发,它会发出所需的 EUV 光。但这还不够,需要镜子将光聚焦成更细的波长。

经济效益

芯片厂每周 7 天、每天 24 小时运行。他们这样做有一个原因:成本。建造一家每月生产 50,000 片晶圆的入门级工厂的成本约为 150 亿美元。其中大部分用于专用设备。这个市场在 2020 年的销售额首次超过 600 亿美元。

三家公司——英特尔、三星和台积电——占了这笔投资的大部分。他们的工厂更先进,每个工厂的成本超过 200 亿美元。今年,台积电将在新工厂和设备上花费高达 280 亿美元。相比之下,美国政府试图通过一项支持国内芯片生产的法案。这项立法将在五年内提供 500 亿美元。

一旦你把所有的钱都花在建造巨型设施上,它们就会在五年或更短的时间内过时。为了避免亏损,芯片制造商必须从每家工厂产生 30 亿美元的利润。但现在只有最大的公司,尤其是去年合计产生 1880 亿美元收入的前三家公司,才有能力建造多个工厂。

大鱼产业

英特尔、三星和台积电 2020 年的收入几乎与接下来的 12 家最大芯片制造商的总和一样多

你做的越多,你就越好。产量——未被丢弃的芯片的百分比(成品率)是关键的衡量标准。低于 90% 的任何东西都是一个问题。但芯片制造商只有通过一遍又一遍地学习昂贵的课程并建立在这些知识的基础上才能超越这一水平。

该行业的残酷经济意味着能够跟上步伐的公司越来越少。每年出货的大约 14 亿颗智能手机处理器中,大部分是由台积电制造的。英特尔拥有 80% 的计算机处理器市场,三星在内存芯片领域占据主导地位。芯片制造,任重而道远。