为什么造芯片看起来比造火箭还难？

发表于： 2021年11月8日 2021年11月8日
分类：是说芯语

1建设能造芯片的设施不仅需要数年时间，动辄还要几十亿美元。
2目前芯片中单个晶体管尺寸甚至小到5纳米，而人类头发的平均宽度是10万纳米。
3一块芯片上有多达100层材料，制造过程中最困难的部分之一是光刻。
4光刻机前段设备就有59种以上，而后端也有8种类型的设备。
5建立一个每月能生产5万片晶圆的入门级工厂要花150亿美元。

【编者按】芯片短缺成了全世界各行各业的头疼事。但由于原子级别的制造工艺、比手术室更干净的洁净空间以及动辄价值几百万美元的制造设备，使得芯片增产极其困难。每个芯片制造工厂要贡献出30亿美元的利润才能避免出现亏损，全行业只有总收入达到1880亿美元的英特尔、三星以及台积电三家公司有能力建设更多工厂。

以下为文章正文：

芯片短缺问题重创了汽车制造商和科技巨头，给全世界各行各业敲响了警钟。这场芯片危机带来了一个基本问题：为什么无法生产足量的芯片?

答案即简单又复杂。简而言之，制造芯片极其困难，而且越来越难。

芯片行业有种说法颇有调侃意味，“芯片不是造火箭，但比起造火箭难得多。”

往复杂了说，建设能造芯片的设施不仅需要数年时间，动辄还要几十亿美元。对于行内企业来说，即便花得起钱和时间，如果制造技术赶不上竞争对手，也会失去优势。英特尔前总裁克雷格·巴雷特(Craig Barrett)就说，公司制造的芯片是人类有史以来制造的最复杂设备。

全世界都在考虑自行制造芯片，但成功并非十拿九稳。

造出一款芯片通常需要三个多月的时间，要有大型工厂、完全无尘的洁净室、价值数百万美元的机器、锡液以及激光。整合这么多要素的最终目标是将一块块硅片变成由数十亿个晶体管组成的微小开关网络。这些晶体管构成各种设备电路的基础，最终让电话、电脑、汽车、洗衣机或卫星得以实现各自的关键功能。

如此小却又如此复杂

大多数芯片是运行软件、处理数据和控制电子设备功能的电路组。不同芯片中的电路排列不同，用途也各不相同。以英伟达的图形图像芯片GeForce RTX 3090为例，目前这是能将计算机代码转换为视频游戏图形的最好芯片。

英伟达的图形图像芯片GeForce RTX 3090

芯片企业总想在单个硅片中封装更多的晶体管，从而提高性能和设备电源效率。英特尔制造的第一款芯片4004是在1971年问世的，其中只包含2300个大小为10微米的晶体管。在接下来的几十年里，英特尔在芯片行业的领导地位一直无可争议。但到了2015年至2020年，英特尔的这一优势地位不保。竞争对手台积电和三星电子开始制造出晶体管体积更小的芯片，单个晶体管尺寸甚至小到5纳米，也就是50亿分之一米。相比之下，人类头发的平均宽度是10万纳米。

芯片设计与制造

比手术室更干净

在把硅片放入芯片制造机器之前，需要一个特别干净的无尘室。单个晶体管比病毒还要小许多倍，一粒小小的尘埃就能造成严重破坏，白白烧掉数百万美元。为了降低这种风险，芯片制造商选择把制造机器安置在基本上没有任何灰尘的洁净室里。

比手术室还洁净的芯片制造空间

为了维持这种清洁环境，洁净室里中的空气也要经过不断过滤，很少有人能进去。如果有一两个以上从头到脚包裹严实的员工出现在芯片生产线旁，这可能表明芯片生产出了问题。研发芯片产品的天才工程师们其实都远在千里之外。

身穿防护服的员工走在格罗方德一家芯片工厂的洁净室内

即便有这么多的预防措施，制造芯片的硅片也不能被工人直接接触或暴露在空气中。它们都被放置在盒子中，用安装在洁净室天花板轨道上的机器人来回移动。硅片只有在进入制造机器时才会从盒子的安全装置中弹出，接下来才会进入芯片制造的关键流程。

原子级制造工艺

一块芯片上有多达100层材料。要先堆积材料，然后移除部分材料，从而形成连接所有微型晶体管的复杂三维结构。其中有些单层材料甚至只有一个原子那么薄。应用材料、泛林集团和东京电子等公司生产的机器需要处理温度、压力、电场以及磁场等一系列变量，才能实现这一目标。

制造过程中最困难的部分之一是光刻，目前主要是由阿斯麦所生产的机器完成。阿斯麦生产的光刻机利用光蚀刻沉积在硅片上的材料。相应的蚀刻图案最终成为晶体管。这一切的尺度是如此之小，以至于目前只能使用太空中才会自然存在的极紫外光完成刻蚀。为了在受控的环境中重现这一过程，阿斯麦的光刻机用激光脉冲照射锡液。当这种金属蒸发时就会产生所需的极紫外光。但这还不够，还需要用镜子把光的波长变得更短。