为什么造芯片那么难？

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编者按：最近一两年，芯片短缺问题显得越来越严重，给日益依赖芯片的众多行业造成了打击。对此外行人可能跟会很疑惑，既然短缺，多造点不就行了吗？殊不知，这是一个超级复杂、超级费钱、超级容易过时的行当，不是谁都能玩得起的。彭博社的一篇文章对芯片制造的过程和所需要的成本进行了剖析，看完你就会知道，为什么做芯片难于上青天了。原文作者Ian King、Adrian Leung与Demetrios Pogkas。标题是：The Chip Shortage Keeps Getting Worse. Why Can’t We Just Make More?

划重点：

芯片是那么的小，又那么的复杂

芯片短缺是因为造芯片很难，而且越来越难

造芯片难在建厂很耗钱，用时长，过时快

半导体短缺正在给汽车制造商和科技巨头造成打击，从华盛顿到布鲁塞尔再到北京，都对此敲响了警钟。芯片紧缺给政策制定者，客户和投资者提出了一个基本的问题：为什么我们就不能多制造一些芯片呢？

这个问题有两个答案，一个简单，一个复杂。简单版是制造芯片非常困难，而且越来越难。

“芯片不是火箭科学，它的难度高多了，”业内的笑话是这么调侃的。

复杂版的答案是，半导体制造设施的建设要花费数年时间，数十亿美元，而且即便等你建好了，由于经济性太过残酷，如果你的制造知识落后于竞争对手的话，也可能会遭遇失败。英特尔的前老板克雷格·巴雷特（Craig Barrett）曾经把自己公司的微处理器称为是人类制造过的最复杂的设备。

为什么各国在实现半导体自给自足方面会面临如此大的困难？这就是原因所在。

芯片的制造往往需要三个多月的时间，涉及到大型工厂，无尘车间，数百万美元的机器，锡液以及激光。最终目标是把硅（一种从普通沙子里面提取出来的元素）片变成数十亿个微小开关（晶体管）组成的网络，这些开关将是电路的基础，最终赋予手机、计算机、汽车、洗衣机或卫星关键能力。

那么的小，又那么的复杂

大多数芯片都是跑软件、操纵数据以及控制电子设备功能的电路组。那些电路的布局都是为了服务于特定用途。下图是Nvidia的GeForce RTX 3090，目前是把计算机代码转换为逼真的视频游戏图形的最佳选择。

Nvidia的GeForce RTX 3090，资料来源：Nvidia

6.28 cm²（2.342 厘米x2.6829厘米）的地方布置了283亿个晶体管

NVLink接口（NVLink interface）

用来在中央处理器（CPU）与图形处理器（GPU）之间以及在GPU之间传输数据

图形处理集群（Graphic processing cluster）

包含大多数GPU核心图形功能（如计算视频游戏里面对象的阴影与纹理）的逻辑电路集群

帧缓冲器

用于存储信息（变成显示器上的图像）的内存区域。

L2和内存控制器

芯片会把数据存放到这里，共快速访问和处理。

输入/输出，显示及视频

芯片的这一部分是用来跟计算机的其他部分通信的。

芯片公司设法将更多的晶体管封装到芯片里面，好提高性能以及提高设备的电源效率。1971年，英特尔推出了第一款微处理器4004，里面仅包含2300个晶体管，每个的尺寸为10微米，也就是十万分之一米。在接下来几十年的时间里，英特尔一直处于无可争议的领导地位，但到了2015年至2020年间，英特尔被赶下了王座，因为竞争对手台积电和三星电子制造出了有着更好的晶体管的芯片：这些晶体管的尺寸最小只有5纳米，也就是50亿分之一米（相比之下，人的头发平均宽度是100000纳米。）

芯片的设计商与制造商，资料来源：公司与行业报告，Our World Data

比手术室还要洁净

在把硅放进芯片制造机器之前，你需要一间无尘室。一间非常干净的房间。单个晶体管比病毒小很多倍。仅有一小点灰尘会造成严重破坏，并浪费数百万美元的精力。为了减轻这种风险，芯片制造商将其机器安置在基本上没有灰尘的房间中。

资料来源：ASML

Class 1芯片制造洁净室的标准是每立方米少于10微粒

医院手术室的标准是少于10000微粒

每微粒大小均小于200纳米（十亿分之一米）

为了维持这种环境，空气要不断过滤，而且只允许很少的人进入。如果在芯片生产线上出现一两个以上的工人（从头到脚都被防护设备包裹住）的话，则说明可能出问题了。半导体设计和开发背后真正的天才其实是在很远的地方工作的。

身穿防护服的员工走在GlobalFoundries位于纽约州马耳他的一家半导体工厂的洁净室内

就算采取了所有这些防范措施，人也不能触摸硅片，也不能让它暴露在空气中。硅片得装进套筒里面，由悬挂在天花板的机器人负责运送。当它们被放进机器内部时，才从套筒的安全装置弹出，然后接下来就进入到流程的关键步骤了。

悬挂在天花板的机器人

原子级的制造

芯片由多达100层的材料组成。要先堆积，然后部分去除，从而形成把所有晶体管连接起来的复杂三维结构。有些层的厚度只有一个原子。由应用材料、泛林集团以及东京电子制造的机器需要处理很多的变量，比方说温度、压力以及电场与磁场，之后才能把东西做出来。

光刻是整个过程最困难的部分之一，这一环节需要由阿斯麦（ASML Holding NV）制造的机器来处理。这家公司的设备会将掩模版上的图形转移到涂有光致抗蚀剂(或称光刻胶)的硅片上，然后通过一系列生产步骤将硅片表面薄膜的特定部分除去。而这些图形最终将变成晶体管。这一切都是在很小的尺度上进行的，目前有效的方法是利用通常只有在太空中才会自然产生的极紫外光。为了在可控的环境下反复生成这种光，ASML用激光脉冲照射锡液。当这种金属挥发时，就会发出所需的EUV光。但是，这还不够。还需要用镜片把这种光聚焦成更细的波长。

资料来源：波士顿咨询集团，半导体行业协会，Gartner

光刻机前端的设备就有59种以上，后端也有8种类型的设备。

1、氧化和喷涂（Oxidation and coating）

绝缘和导电材料层被喷涂到硅片表面。然后用光刻胶材料涂层均匀覆盖到晶片上。（自下而上为硅衬底、氮化硅、二氧化硅、光刻胶）

2、光刻（Lithography）

设计好的集成电路图案被投射到一块玻璃板上（光罩）。极紫光再透过光罩把团打到硅基板上面的光刻胶层。暴露部分再用化学方式移除掉。

3、显影与烘干（Development and bake）

对晶圆片显影，将光刻胶未曝光区域去除，然后烘干，让可溶解的化学物质挥发掉。

4、刻蚀（Etching）

用气体或化学物质将晶圆片未受光刻胶保护的部分去除。

5、掺杂（Doping）

将含有硼或砷的离子束摄到敷有光刻胶掩膜的晶圆上。有光刻胶掩盖的部分，离子束无法穿透光刻胶而被阻挡开来；没有掩盖的部分，离子束会被注入到衬底上，实现掺杂。形成的新层的导电属性会被改变。

6、金属沉积与刻蚀（Metal deposition and etching）

采用类似过程布置一层晶体管间的金属连接

步骤1—5要应用不同的化学物质重复数百次，从而制造出更多的层，具体的层数取决于想要什么样的电路特性。

8、成品的晶圆（Completed wafer）

每一块晶圆成品包含了数百个一模一样的集成电路。成品会被拿去进行组装、封装、测试，其中包括将晶圆切割成独立的芯片。

沉重的经济

芯片厂一周7天，每天24小时都要不间断运行。之所以要这样是因为：成本。建设一家入门级的工厂（每月生产5万片晶圆）的成本约为150亿美元。其中大部分都花在了专用设备上——2020年这一市场的销售额首次突破了600亿美元。

自2015年以来，用于芯片制造的设备的销售额已经翻了一番。

全球晶圆厂设备市场，资料来源：SEMI

这方面的投资大部分都来自英特尔，三星和台积电这三家公司。这几家公司的工厂更为先进，每一家工厂的成本都超过了200亿美元。台积电今年在新工厂和设备上的投入将高达280亿美元。作为比较，可以看看美国政府试图要通过的一项支持芯片国产的法案。这项法案只是承诺在五年内提供500亿美元。

而且就算砸钱把大型设施造好了，这些东西在五年或更短的时间之内就会过时。为了避免亏损，每家工厂必须给芯片制造商贡献30亿美元的利润。但是从目前来看，只有最大型的公司，尤其是合计创造了1880亿美元收入的前三强，才有能力多建几家工厂。

英特尔，三星和台积电在2020年的创收几乎相当于其余12家最大芯片制造商的总和。

注：三星和索尼的数据仅包括其芯片制造业务。资料来源：彭博社汇编的企业数据；IDC

芯片制造这件事情是熟能生巧，做得越多越擅长。其关键指标是成品率（未被废弃的芯片所占百分比）。低于90％就有问题。但是，芯片制造商只能通过一遍又一遍地花高价钱买教训，并在学到的知识的基础上慢慢去超越自我。

这个行业如此残酷的经济性，导致没几家公司可以负担得起。智能手机每年的出货量大概是14亿部，其中的处理器大多数都是由台积电生产的。英特尔占据了80％的计算机处理器市场。而三星在存储芯片市场处在主导地位。对于任何其他人来说，要想闯入这个市场都不是简单的事。

译者：boxi

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