为何缺芯窟窿难补?工艺难、设备贵,市场竞争太残酷

2021年05月08日 07:06 次阅读 稿源:芯东西 条评论

如今,芯片半导体的短缺给世界各地的汽车制造商和科技巨头都敲响了警钟,这场危机向政策制定者、消费者和投资者提出了一个根本性的问题:为什么我们不能生产更多的芯片?外媒彭博社对这一问题进行了回答:制造芯片是很难的,而且还会越来越难。

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在当地时间5月6日发布的深度报道中,彭博社对芯片制造技术的发展、芯片制造流程、建厂成本,以及芯片制造市场的竞争能力进行了拆解和分析。

制造一个芯片通常要花三个多月的时间,需要巨大的工厂、无尘的车间,在价值数百万美元的机器上用熔化的锡和激光来操作。最终,普通的硅晶片被转化成由数十亿个晶体管组成的集成电路组,为电话、电脑、汽车、洗衣机或卫星等设备赋予关键功能。

事实上,建造半导体制造设施需要数年时间和数十亿美元的投资,而且拥有先进制造技术的公司才能拥有竞争优势。英特尔公司前老板克雷格·巴雷特(Craig Barrett)就曾说过,英特尔的微处理器是人类有史以来制造的最复杂的设备。

目前的芯片制造市场中,头部企业所占的市场份额越来越大,英特尔、三星和台积电三家芯片制造公司去年创收的金额共计达到1880亿美元,几乎占了2020全年各大芯片制造商收入总额的一半。其他制造商要与他们竞争,正在变得越来越困难。

这就是各国想要实现半导体自供应,却面临重重困难的原因。目前,中国在新的五年计划中明确提到,要在2025年将芯片自给率提高至70%,而美国总统拜登(Joe Biden)则承诺要振兴国内制造业,来建立安全的美国供应链。此外,欧盟也在考虑制造自己的芯片。

为何缺芯窟窿难补?工艺难、设备贵,市场竞争太残酷

▲机械臂将硅片送入芯片制造机器

一、纳米级硅片上,集成数百亿个晶体管

大多数芯片的本质是运行软件、处理数据和控制电子设备功能的电路组,这些电路的排列赋予了它们特定的用途。下面是英伟达(NVIDIA)在2020年推出的芯片GeForce RTX 3090,目前在将计算机代码转换为逼真的电子游戏画面这一领域,这款芯片的性能首屈一指。

▲英伟达的GeForce RTX 3090芯片

可以看到,这款芯片宽2.342厘米,长2.6829厘米,芯片面积是6.28平方厘米,在其上集成了283亿个晶体管。芯片中包含五个关键部分,分别是NVLink接口、帧缓冲、输入/输出接口、L2与内存控制器,以及图形处理集群。

芯片制造公司试图在芯片中封装更多的晶体管,以提高芯片的性能和设备的效率。英特尔在1971年发布了第一款微处理器4004,它只有2300个晶体管,节点大小为10微米。

接下来,从1993年的奔腾处理器、2001年的至强处理器,再到2006年的酷睿Core2 Duo处理器,英特尔领头突破了1微米和100纳米的技术节点,是当之无愧的行业领头羊。

不过,芯片制造业并非一直是英特尔一枝独秀的场面,更多玩家加入了芯片设计和生产的行列。2009年,由英伟达设计、台积电代工生产的GeForce GTX 275在55纳米的芯片上集成了超过10亿个晶体管;而在2013年,苹果设计、三星生产的A7芯片将10亿个晶体管封装在了仅仅28纳米的芯片中。

在2015年至2020年间,台积电(TSMC)和三星开始生产节点只有5纳米的芯片,终结了英特尔长期以来遥遥领先的领导地位。

▲芯片制造技术发展历程

二、比手术室更干净的无尘制造房

单个晶体管的体积比病毒还小许多倍,所以一粒尘埃就会破坏芯片的制造过程,让价值几百万美元的努力付之东流。为了避免这种风险,芯片制造工厂需要保持无尘的内部环境。

▲一级芯片制造无尘室与医院手术室空气中灰尘含量的比较

为了维持无尘的环境,工厂内的空气被不断过滤,工厂内部也很少允许人员进入。如果有一两个身穿全套隔离服的工人出现在芯片生产线上,他们可能只是维护和修理人员,半导体设计和开发背后真正的天才们远在千里之外。

▲在美国纽约马耳他的格芯半导体工厂,一名穿着防护服的员工走过一间无尘室

即使有着严格的预防措施,硅片也不能被人类接触,或是直接暴露在空气中。它们被装在带暗盒的机器人里进行运送,这些机器人带着它们在工厂天花板的轨道上移动。

▲工厂天花板上运送芯片的暗盒机器人

三、在原子水平上精细操作、反复循环

一块芯片中包含着上百个微材料层,其中一些层只有一个原子那么薄。

要在这么薄的材料层上形成复杂的三维晶体管结构,最困难的步骤之一就是光刻。它是由荷兰的芯片制造设备提供商阿斯麦(ASML)的机器完成的。该公司的机器利用激光在硅片的微材料层上烧刻出电路图案,再在后续的自动化过程中清洗掉不需要的部分。

目前最先进的设备是极紫外线(EUV)光刻机。ASML的机器用激光脉冲轰击熔化的锡滴让其蒸发,当它蒸发时,就会发出所需的极紫外线。然后,还需要用透镜把光聚焦成更薄的波长。

▲芯片制造步骤示意图

在一个完整的芯片制造流程中,通常包含以下7个步骤:

1、在硅片表面涂上绝缘和导电材料层,然后均匀覆盖一层光刻胶材料;

2、设计好的集成电路图样被映射到称为掩模的玻璃板上,紫外光通过掩模将电路图样转移到硅盘上的光刻胶层;

3、去除非暴露区域的光刻胶,然后烘烤以去除溶剂化学物质;

4、用气体或化学物质,清洗掉晶圆上未受光刻胶保护的区域;

5、在晶圆上喷洒离子气体,这些气体通过添加杂质(如硼和砷)来改变新层的导电性能;

6、用类似的方法铺设晶体管之间的金属连接;

7、每个完整的晶圆包含数百个相同的集成电路。这些晶圆被送去组装、封装和测试,并被切割成独立的芯片。

其中,步骤1~5会根据设计电路的特性,被重复数百次,使用不同的化学物质创建更多的微材料层。

四、建厂成本高,三大制造商顶起半边天

芯片工厂一天24小时、一周7天从不停工,其原因就是成本。

要建立一个每月生产5万个晶圆的入门级工厂,其成本约为150亿美元,其中大部分的资金用于购买专业设备。

然而,花在大型的芯片制造设备上的资金是有时效的,也就是说,随着制造技术更新迭代,芯片制造设备在5年或者更短的时间内就会过时。为了避免亏损,芯片制造商必须在每个工厂中创造30亿美元的利润。

自2015年以来,用于芯片制造的设备销量翻了一番,芯片制造设备市场的销售额在2020年首次超过了600亿美元。

▲芯片制造设备自2015年以来的销售情况

英特尔、三星和台积电这三家公司在工厂建设上的投资毫不吝啬。他们的工厂非常先进,每个工厂的成本超过200亿美元。据悉,今年,台积电将在新工厂和设备上投入多达280亿美元。

目前来看,只有头部芯片制造公司才有能力建造多家工厂。根据彭博社整理的2020年各大芯片制造公司的营收情况来看,营收前3名英特尔、三星和台积电在去年创造了1880亿美元的收入,这一数字几乎相当于排在其后的12家芯片制造商收入的总和。

▲2020年各大芯片制造公司营收情况

芯片制造行业残酷的经济形势意味着,其他公司要追上这三大头部公司,会变得越来越困难。

如今,每年出货的大约14亿个智能手机处理器中,大部分都是台积电制造的;英特尔在计算机处理器市场上占有80%的份额;而三星在存储芯片领域占据主导地位。对包括中国在内的其他所有国家来说,要想打入这个市场,并不容易。

结语:“缺芯”危机持续,芯片制造产业还将发力

自去年年底爆发的芯片短缺危机,至今还没有出现缓解的迹象。由于芯片制造过程的复杂性,以及芯片生产对先进制造技术和设备的依赖性,要在短时间内扩大芯片产能来缓解“缺芯”潮并不是一件容易的事情。

对于芯片生产的三大头部玩家来说,他们已经占据了相当大的市场份额和资源,继续加大投资力度、升级芯片制造工艺、提高造芯效率似乎已经成了必然的趋势。而其他的芯片制造商也没有完全失去机会,比如说,在我国国家政策的鼓励下,接下来几年或许还会涌现出芯片制造的后起之秀。

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