為何缺芯窟窿難補：工藝難、設備貴，市場競爭太殘酷

如今，芯片半導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，這場危機向政策制定者、消費者和投資者提出了一個根本性的問題：為什么我們不能生產更多的芯片？

外媒彭博社對這一問題進行了回答：制造芯片是很難的，而且還會越來越難。在當地時間 5 月 6 日發布的深度報道中，彭博社對芯片制造技術的發展、芯片制造流程、建廠成本，以及芯片制造市場的競爭能力進行了拆解和分析。

制造一個芯片通常要花三個多月的時間，需要巨大的工廠、無塵的車間，在價值數百萬美元的機器上用熔化的錫和激光來操作。最終，普通的硅晶片被轉化成由數十億個晶體管組成的集成電路組，為電話、電腦、汽車、洗衣機或衛星等設備賦予關鍵功能。

事實上，建造半導體制造設施需要數年時間和數十億美元的投資，而且擁有先進制造技術的公司才能擁有競爭優勢。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雜的設備。

目前的芯片制造市場中，頭部企業所占的市場份額越來越大，英特爾、三星和臺積電三家芯片制造公司去年創收的金額共計達到 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爭，正在變得越來越困難。

這就是各國想要實現半導體自供應，卻面臨重重困難的原因。目前，中國在新的五年計劃中明確提到，要在 2025 年將芯片自給率提高至 70%，而美國總統拜 登（Joe Biden）則承諾要振興國內制造業，來建立安全的美國供應鏈。此外，歐盟也在考慮制造自己的芯片。

 

一、納米級硅片上，集成數百億個晶體管

大多數芯片的本質是運行軟件、處理數據和控制電子設備功能的電路組，這些電路的排列賦予了它們特定的用途。下面是英偉達（NVIDIA）在 2020 年推出的芯片 GeForce RTX 3090，目前在將計算機代碼轉換為逼真的電子游戲畫面這一領域，這款芯片的性能首屈一指。

▲英偉達的 GeForce RTX 3090 芯片

可以看到，這款芯片寬 2.342 厘米，長 2.6829 厘米，芯片面積是 6.28 平方厘米，在其上集成了 283 億個晶體管。芯片中包含五個關鍵部分，分別是 NVLink 接口、幀緩沖、輸入 / 輸出接口、L2 與內存控制器，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備的效率。英特爾在 1971 年發布了第一款微處理器 4004，它只有 2300 個晶體管，節點大小為 10 微米。

接下來，從 1993 年的奔騰處理器、2001 年的至強處理器，再到 2006 年的酷睿 Core2 Duo 處理器，英特爾領頭突破了 1 微米和 100 納米的技術節點，是當之無愧的行業領頭羊。

不過，芯片制造業并非一直是英特爾一枝獨秀的場面，更多玩家加入了芯片設計和生產的行列。2009 年，由英偉達設計、臺積電代工生產的 GeForce GTX 275 在 55 納米的芯片上集成了超過 10 億個晶體管；而在 2013 年，蘋果設計、三星生產的 A7 芯片將 10 億個晶體管封裝在了僅僅 28 納米的芯片中。

在 2015 年至 2020 年間，臺積電（TSMC）和三星開始生產節點只有 5 納米的芯片，終結了英特爾長期以來遙遙領先的領導地位。

▲芯片制造技術發展歷程

二、比手術室更干凈的無塵制造房

單個晶體管的體積比病毒還小許多倍，所以一粒塵埃就會破壞芯片的制造過程，讓價值幾百萬美元的努力付之東流。為了避免這種風險，芯片制造工廠需要保持無塵的內部環境。

▲一級芯片制造無塵室與醫院手術室空氣中灰塵含量的比較

為了維持無塵的環境，工廠內的空氣被不斷過濾，工廠內部也很少允許人員進入。如果有一兩個身穿全套隔離服的工人出現在芯片生產線上，他們可能只是維護和修理人員，半導體設計和開發背后真正的天才們遠在千里之外。

▲在美國紐約馬耳他的格芯半導體工廠，一名穿著防護服的員工走過一間無塵室

即使有著嚴格的預防措施，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器人里進行運送，這些機器人帶著它們在工廠天花板的軌道上移動。

 

三、在原子水平上精細操作、反復循環

一塊芯片中包含著上百個微材料層，其中一些層只有一個原子那么薄。

要在這么薄的材料層上形成復雜的三維晶體管結構，最困難的步驟之一就是光刻。它是由荷蘭的芯片制造設備提供商阿斯麥（ASML）的機器完成的。該公司的機器利用激光在硅片的微材料層上燒刻出電路圖案，再在后續的自動化過程中清洗掉不需要的部分。

目前最先進的設備是極紫外線（EUV）光刻機。ASML 的機器用激光脈沖轟擊熔化的錫滴讓其蒸發，當它蒸發時，就會發出所需的極紫外線。然后，還需要用透鏡把光聚焦成更薄的波長。

▲芯片制造步驟示意圖

在一個完整的芯片制造流程中，通常包含以下 7 個步驟：

1、在硅片表面涂上絕緣和導電材料層，然后均勻覆蓋一層光刻膠材料；

2、設計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移到硅盤上的光刻膠層；

3、去除非暴露區域的光刻膠，然后烘烤以去除溶劑化學物質；

4、用氣體或化學物質，清洗掉晶圓上未受光刻膠保護的區域；

5、在晶圓上噴灑離子氣體，這些氣體通過添加雜質（如硼和砷）來改變新層的導電性能；

6、用類似的方法鋪設晶體管之間的金屬連接；

7、每個完整的晶圓包含數百個相同的集成電路。這些晶圓被送去組裝、封裝和測試，并被切割成獨立的芯片。

其中，步驟 1~5 會根據設計電路的特性，被重復數百次，使用不同的化學物質創建更多的微材料層。

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、一周 7 天從不停工，其原因就是成本。

要建立一個每月生產 5 萬個晶圓的入門級工廠，其成本約為 150 億美元，其中大部分的資金用于購買專業設備。

然而，花在大型的芯片制造設備上的資金是有時效的，也就是說，隨著制造技術更新迭代，芯片制造設備在 5 年或者更短的時間內就會過時。為了避免虧損，芯片制造商必須在每個工廠中創造 30 億美元的利潤。

自 2015 年以來，用于芯片制造的設備銷量翻了一番，芯片制造設備市場的銷售額在 2020 年首次超過了 600 億美元。

▲芯片制造設備自 2015 年以來的銷售情況

英特爾、三星和臺積電這三家公司在工廠建設上的投資毫不吝嗇。他們的工廠非常先進，每個工廠的成本超過 200 億美元。據悉，今年，臺積電將在新工廠和設備上投入多達 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。根據彭博社整理的 2020 年各大芯片制造公司的營收情況來看，營收前 3 名英特爾、三星和臺積電在去年創造了 1880 億美元的收入，這一數字幾乎相當于排在其后的 12 家芯片制造商收入的總和。

▲2020 年各大芯片制造公司營收情況

芯片制造行業殘酷的經濟形勢意味著，其他公司要追上這三大頭部公司，會變得越來越困難。

如今，每年出貨的大約 14 億個智能手機處理器中，大部分都是臺積電制造的；英特爾在計算機處理器市場上占有 80% 的份額；而三星在存儲芯片領域占據主導地位。對包括中國在內的其他所有國家來說，要想打入這個市場，并不容易。

結語：“缺芯”危機持續，芯片制造產業還將發力

自去年年底爆發的芯片短缺危機，至今還沒有出現緩解的跡象。由于芯片制造過程的復雜性，以及芯片生產對先進制造技術和設備的依賴性，要在短時間內擴大芯片產能來緩解“缺芯”潮并不是一件容易的事情。

對于芯片生產的三大頭部玩家來說，他們已經占據了相當大的市場份額和資源，繼續加大投資力度、升級芯片制造工藝、提高造芯效率似乎已經成了必然的趨勢。而其他的芯片制造商也沒有完全失去機會，比如說，在我國國家政策的鼓勵下，接下來幾年或許還會涌現出芯片制造的后起之秀。