來源：智東西
編譯 | 屈望苗
編輯 | 江心白
芯東西5月7日消息，如今，芯片半導(dǎo)體的短缺給世界各地的汽車制造商和科技巨頭都敲響了警鐘，這場(chǎng)危機(jī)向政策制定者、消費(fèi)者和投資者提出了一個(gè)根本性的問題：為什么我們不能生產(chǎn)更多的芯片？
外媒彭博社對(duì)這一問題進(jìn)行了回答：制造芯片是很難的，而且還會(huì)越來越難。在當(dāng)?shù)貢r(shí)間5月6日發(fā)布的深度報(bào)道中，彭博社對(duì)芯片制造技術(shù)的發(fā)展、芯片制造流程、建廠成本，以及芯片制造市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力進(jìn)行了拆解和分析。
制造一個(gè)芯片通常要花三個(gè)多月的時(shí)間，需要巨大的工廠、無(wú)塵的車間，在價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的機(jī)器上用熔化的錫和激光來操作。最終，普通的硅晶片被轉(zhuǎn)化成由數(shù)十億個(gè)晶體管組成的集成電路組，為電話、電腦、汽車、洗衣機(jī)或衛(wèi)星等設(shè)備賦予關(guān)鍵功能。
事實(shí)上，建造半導(dǎo)體制造設(shè)施需要數(shù)年時(shí)間和數(shù)十億美元的投資，而且擁有先進(jìn)制造技術(shù)的公司才能擁有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。英特爾公司前老板克雷格·巴雷特（Craig Barrett）就曾說過，英特爾的微處理器是人類有史以來制造的最復(fù)雜的設(shè)備。
目前的芯片制造市場(chǎng)中，頭部企業(yè)所占的市場(chǎng)份額越來越大，英特爾、三星和臺(tái)積電三家芯片制造公司去年創(chuàng)收的金額共計(jì)達(dá)到1880億美元，幾乎占了2020全年各大芯片制造商收入總額的一半。其他制造商要與他們競(jìng)爭(zhēng)，正在變得越來越困難。
這就是各國(guó)想要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體自供應(yīng)，卻面臨重重困難的原因。目前，中國(guó)在新的五年計(jì)劃中明確提到，要在2025年將芯片自給率提高至70%，而美國(guó)總統(tǒng)拜登（Joe Biden）則承諾要振興國(guó)內(nèi)制造業(yè)，來建立安全的美國(guó)供應(yīng)鏈。此外，歐盟也在考慮制造自己的芯片。
▲機(jī)械臂將硅片送入芯片制造機(jī)器
一、納米級(jí)硅片上，集成數(shù)百億個(gè)晶體管
大多數(shù)芯片的本質(zhì)是運(yùn)行軟件、處理數(shù)據(jù)和控制電子設(shè)備功能的電路組，這些電路的排列賦予了它們特定的用途。下面是英偉達(dá)（NVIDIA）在2020年推出的芯片GeForce RTX 3090，目前在將計(jì)算機(jī)代碼轉(zhuǎn)換為逼真的電子游戲畫面這一領(lǐng)域，這款芯片的性能首屈一指。
▲英偉達(dá)的GeForce RTX 3090芯片
可以看到，這款芯片寬2.342厘米，長(zhǎng)2.6829厘米，芯片面積是6.28平方厘米，在其上集成了283億個(gè)晶體管。芯片中包含五個(gè)關(guān)鍵部分，分別是NVLink接口、幀緩沖、輸入/輸出接口、L2與內(nèi)存控制器，以及圖形處理集群。
芯片制造公司試圖在芯片中封裝更多的晶體管，以提高芯片的性能和設(shè)備的效率。英特爾在1971年發(fā)布了第一款微處理器4004，它只有2300個(gè)晶體管，節(jié)點(diǎn)大小為10微米。
接下來，從1993年的奔騰處理器、2001年的至強(qiáng)處理器，再到2006年的酷睿Core2 Duo處理器，英特爾領(lǐng)頭突破了1微米和100納米的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，是當(dāng)之無(wú)愧的行業(yè)領(lǐng)頭羊。
不過，芯片制造業(yè)并非一直是英特爾一枝獨(dú)秀的場(chǎng)面，更多玩家加入了芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的行列。2009年，由英偉達(dá)設(shè)計(jì)、臺(tái)積電代工生產(chǎn)的GeForce GTX 275在55納米的芯片上集成了超過10億個(gè)晶體管；而在2013年，蘋果設(shè)計(jì)、三星生產(chǎn)的A7芯片將10億個(gè)晶體管封裝在了僅僅28納米的芯片中。
在2015年至2020年間，臺(tái)積電（TSMC）和三星開始生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)只有5納米的芯片，終結(jié)了英特爾長(zhǎng)期以來遙遙領(lǐng)先的領(lǐng)導(dǎo)地位。
▲芯片制造技術(shù)發(fā)展歷程
二、比手術(shù)室更干凈的無(wú)塵制造房
單個(gè)晶體管的體積比病毒還小許多倍，所以一粒塵埃就會(huì)破壞芯片的制造過程，讓價(jià)值幾百萬(wàn)美元的努力付之東流。為了避免這種風(fēng)險(xiǎn)，芯片制造工廠需要保持無(wú)塵的內(nèi)部環(huán)境。
▲一級(jí)芯片制造無(wú)塵室與醫(yī)院手術(shù)室空氣中灰塵含量的比較
為了維持無(wú)塵的環(huán)境，工廠內(nèi)的空氣被不斷過濾，工廠內(nèi)部也很少允許人員進(jìn)入。如果有一兩個(gè)身穿全套隔離服的工人出現(xiàn)在芯片生產(chǎn)線上，他們可能只是維護(hù)和修理人員，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和開發(fā)背后真正的天才們遠(yuǎn)在千里之外。
▲在美國(guó)紐約馬耳他的格芯半導(dǎo)體工廠，一名穿著防護(hù)服的員工走過一間無(wú)塵室
即使有著嚴(yán)格的預(yù)防措施，硅片也不能被人類接觸，或是直接暴露在空氣中。它們被裝在帶暗盒的機(jī)器人里進(jìn)行運(yùn)送，這些機(jī)器人帶著它們?cè)诠S天花板的軌道上移動(dòng)。
▲工廠天花板上運(yùn)送芯片的暗盒機(jī)器人
三、在原子水平上精細(xì)操作、反復(fù)循環(huán)
一塊芯片中包含著上百個(gè)微材料層，其中一些層只有一個(gè)原子那么薄。
要在這么薄的材料層上形成復(fù)雜的三維晶體管結(jié)構(gòu)，最困難的步驟之一就是光刻。它是由荷蘭的芯片制造設(shè)備提供商阿斯麥（ASML）的機(jī)器完成的。該公司的機(jī)器利用激光在硅片的微材料層上燒刻出電路圖案，再在后續(xù)的自動(dòng)化過程中清洗掉不需要的部分。
目前最先進(jìn)的設(shè)備是極紫外線（EUV）光刻機(jī)。ASML的機(jī)器用激光脈沖轟擊熔化的錫滴讓其蒸發(fā)，當(dāng)它蒸發(fā)時(shí)，就會(huì)發(fā)出所需的極紫外線。然后，還需要用透鏡把光聚焦成更薄的波長(zhǎng)。
▲芯片制造步驟示意圖
在一個(gè)完整的芯片制造流程中，通常包含以下7個(gè)步驟：
1、在硅片表面涂上絕緣和導(dǎo)電材料層，然后均勻覆蓋一層光刻膠材料；
2、設(shè)計(jì)好的集成電路圖樣被映射到稱為掩模的玻璃板上，紫外光通過掩模將電路圖樣轉(zhuǎn)移到硅盤上的光刻膠層；
3、去除非暴露區(qū)域的光刻膠，然后烘烤以去除溶劑化學(xué)物質(zhì)；
4、用氣體或化學(xué)物質(zhì)，清洗掉晶圓上未受光刻膠保護(hù)的區(qū)域；
5、在晶圓上噴灑離子氣體，這些氣體通過添加雜質(zhì)（如硼和砷）來改變新層的導(dǎo)電性能；
6、用類似的方法鋪設(shè)晶體管之間的金屬連接；
7、每個(gè)完整的晶圓包含數(shù)百個(gè)相同的集成電路。這些晶圓被送去組裝、封裝和測(cè)試，并被切割成獨(dú)立的芯片。
其中，步驟1~5會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)電路的特性，被重復(fù)數(shù)百次，使用不同的化學(xué)物質(zhì)創(chuàng)建更多的微材料層。
四、建廠成本高，三大制造商頂起半邊天
芯片工廠一天24小時(shí)、一周7天從不停工，其原因就是成本。
要建立一個(gè)每月生產(chǎn)5萬(wàn)個(gè)晶圓的入門級(jí)工廠，其成本約為150億美元，其中大部分的資金用于購(gòu)買專業(yè)設(shè)備。
然而，花在大型的芯片制造設(shè)備上的資金是有時(shí)效的，也就是說，隨著制造技術(shù)更新迭代，芯片制造設(shè)備在5年或者更短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)過時(shí)。為了避免虧損，芯片制造商必須在每個(gè)工廠中創(chuàng)造30億美元的利潤(rùn)。
自2015年以來，用于芯片制造的設(shè)備銷量翻了一番，芯片制造設(shè)備市場(chǎng)的銷售額在2020年首次超過了600億美元。
▲芯片制造設(shè)備自2015年以來的銷售情況
英特爾、三星和臺(tái)積電這三家公司在工廠建設(shè)上的投資毫不吝嗇。他們的工廠非常先進(jìn)，每個(gè)工廠的成本超過200億美元。據(jù)悉，今年，臺(tái)積電將在新工廠和設(shè)備上投入多達(dá)280億美元。
目前來看，只有頭部芯片制造公司才有能力建造多家工廠。根據(jù)彭博社整理的2020年各大芯片制造公司的營(yíng)收情況來看，營(yíng)收前3名英特爾、三星和臺(tái)積電在去年創(chuàng)造了1880億美元的收入，這一數(shù)字幾乎相當(dāng)于排在其后的12家芯片制造商收入的總和。
▲2020年各大芯片制造公司營(yíng)收情況
芯片制造行業(yè)殘酷的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)意味著，其他公司要追上這三大頭部公司，會(huì)變得越來越困難。
如今，每年出貨的大約14億個(gè)智能手機(jī)處理器中，大部分都是臺(tái)積電制造的；英特爾在計(jì)算機(jī)處理器市場(chǎng)上占有80%的份額；而三星在存儲(chǔ)芯片領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。對(duì)包括中國(guó)在內(nèi)的其他所有國(guó)家來說，要想打入這個(gè)市場(chǎng)，并不容易。
結(jié)語(yǔ)：“缺芯”危機(jī)持續(xù)，芯片制造產(chǎn)業(yè)還將發(fā)力
自去年年底爆發(fā)的芯片短缺危機(jī)，至今還沒有出現(xiàn)緩解的跡象。由于芯片制造過程的復(fù)雜性，以及芯片生產(chǎn)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)和設(shè)備的依賴性，要在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大芯片產(chǎn)能來緩解“缺芯”潮并不是一件容易的事情。
對(duì)于芯片生產(chǎn)的三大頭部玩家來說，他們已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)大的市場(chǎng)份額和資源，繼續(xù)加大投資力度、升級(jí)芯片制造工藝、提高造芯效率似乎已經(jīng)成了必然的趨勢(shì)。而其他的芯片制造商也沒有完全失去機(jī)會(huì)，比如說，在我國(guó)國(guó)家政策的鼓勵(lì)下，接下來幾年或許還會(huì)涌現(xiàn)出芯片制造的后起之秀。
