为何缺芯窟窿难补？工艺难、设备贵，市场竞争太残酷

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。

▲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。