半导体芯片的严重短缺,为什么芯片制造那么难?

作者:admin  来源:本站  发布时间:2021-05-06  访问量:1280

半导体的短缺正在打击汽车制造商和科技巨头,从华盛顿到布鲁塞尔再到北京,都发出了警钟。紧缩对政策制定者,客户和投资者提出了一个基本问题:为什么我们不能只制造更多的筹码?

有一个简单的答案,也有一个复杂的答案。简单的版本是制造芯片非常困难,而且越来越难。

“这不是火箭科学,这要困难得多,”该行业内心的笑话之一说。

更为复杂的答案是,建造半导体制造设施要花费数年时间,而且要花费数十亿美元,而且即使如此,经济如此残酷,如果您的制造专业知识仅落后于竞争对手,您也可能会失败。前英特尔公司老板克雷格·巴雷特(Craig Barrett)称他公司的微处理器为人类制造过的最复杂的设备。

这就是为什么国家在实现半导体自给方面面临如此困难的原因。中国在其最新的五年计划中将芯片独立性视为国家的首要任务,而美国总统拜登则誓言要通过复兴国内制造业来建立安全的美国供应链。甚至欧盟也在考虑采取措施制造自己的芯片。但是成功是没有任何保证的。

制造芯片通常需要三个月以上的时间,其中涉及大型工厂,无尘室,价值数百万美元的机器,熔融锡和激光。最终目标是将硅片(一种从普通沙子中提取的元素)转变成数十亿个称为晶体管的微小开关的网络,这些开关构成电路的基础,最终将使电话,计算机,汽车,洗衣机或卫星成为关键能力。

如此小而又如此复杂

大多数芯片是运行软件,操纵数据和控制电子设备功能的电路组。这些电路的布置为其提供了特定的用途。以下是Nvidia的GeForce RTX 3090,目前是将计算机代码转换为逼真的视频游戏图形的最佳选择。

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资料来源:Nvidia

芯片公司试图将更多的晶体管封装到芯片中,以提高性能并提高设备的电源效率。英特尔的第一个微处理器4004于1971年发布,仅包含2300个晶体管,其节点尺寸为10微米,即十分之一米。但是在接下来的几十年中,英特尔无可争议的领导地位在2015年至2020年之间结束,当时竞争对手台湾半导体制造公司和三星电子公司开始制造具有更好晶体管的芯片:尺寸更小至5纳米或50亿分之一米的芯片(相比之下,人的平均头发是100,000纳米宽。)

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比手术更清洁

在将硅放入芯片制造机中之前,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。

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为了维持这种环境,空气不断被过滤,只有很少的人进入。如果在芯片生产线上出现一两个以上的工人(从头到脚包裹在防护设备中),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远在千里之外。

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一名身穿防护装备的员工在美国纽约州马耳他的GlobalFoundries半导体工厂的洁净室中走过机器。

即使采取了所有这些预防措施,硅片也不会被人触摸或暴露在空气中。它们在由机器人携带的弹药筒中的机器之间移动,这些弹药筒在天花板上的轨道上运行。仅当它们在机器内部时才从这些墨盒的安全性中浮现出来,现在是该过程中关键步骤的时候了。

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原子级制造

芯片由多达100层材料组成。将它们沉积,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。由Applied Materials Inc.,Lam Research Corp.和Tokyo Electron Ltd.制造的机器需要处理许多变量,例如温度,压力以及电场和磁场,才能实现这一目标。

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。该公司的设备使用光将图案燃烧成沉积在硅上的材料。这些图案最终成为晶体管。这一切都是在很小的规模上发生的,当前使之起作用的方法是使用极紫外光,这种光通常仅在太空中自然发生。为了在可控的环境中重现这种情况,ASML用激光脉冲对锡的熔融液滴进行打磨。当金属蒸发时,它会发出所需的EUV光。但是,这还不够。需要镜子以将光聚焦到更薄的波长。

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繁重的经济学

芯片厂每周7天,每天24小时不间断运行。他们这样做是出于一个原因:成本。建立一个入门级工厂每月生产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,该市场在2020年的销售额首次超过600亿美元。

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大部分投资由英特尔,三星和台积电三家公司承担。他们的工厂更先进,每个工厂的成本超过200亿美元。台积电今年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仅提供500亿美元。

一旦您花了所有的钱来建造大型设施,它们在五年或更短的时间内就会过时。为了避免亏损,芯片制造商必须从每个工厂产生30亿美元的利润。但是现在,只有最大的公司,尤其是去年总收入达1,880亿美元的前三名公司,才有能力建造多个工厂。

您做得越多,就越能做到。关键指标是成品率(未丢弃的切屑百分比)。任何低于90%的问题。但是,芯片制造商只能通过一遍又一遍地学习昂贵的课程并以此为基础,来超越这一水平。

该行业的残酷经济状况意味着更少的公司可以负担得起。每年出货的约14亿部智能手机处理器中,大多数是由台积电生产的。英特尔拥有80%的计算机处理器市场。三星在存储芯片中占主导地位。对于包括中国在内的其他所有人来说,闯入并不容易。