为什么造芯片那么难?

神译局2021-05-14
不是谁都能玩得起的。

神译局是36氪旗下编译团队,关注科技、商业、职场、生活等领域,重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

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

Nvidia的GeForce RTX 3090

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。

光刻的流程

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。

沉重负担

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。

大鱼产业

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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