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为何芯片需要投入巨大的心血

huazhu 财经 2022-04-29 13:22:09 127 0

产它们的超洁净工厂车间却十分庞大,有些甚至可以达到七层楼高、四个足球场大。芯片从许多方面来看都是现代经济的命脉,是计算机、智能手机、汽车、电器和许多其他电子产品不可或缺的元件。新冠疫情以来,全球各地对芯片的需求激增。与此同时,疫情切断了供应链。两面因素影响之下,全球芯片陷入了短缺之中。芯片短缺反过来又加剧了通货膨胀。美国人担心,国正变得过于依赖海外制造的芯片。国仅拥有全球12%的半导体制造能力,90%最 先进的芯片都产自中国台湾。硅谷巨头英特尔(Intel) 正着力恢复其在芯片制造技术方面的长期领先地位。公司投入了200亿元资金,希望帮助缓解芯片短缺的局面。公司正在位于亚利桑那州钱德勒市的芯片制造中心建造两家厂,预计需要3年时间完工。最近,公司还宣布了一项更大的扩建计划,表示将在俄亥俄州新奥尔巴尼和德国马格德堡建造新的生产基地。为什么制造这些微小的元件需要建造巨大的工厂、花费庞大的资金?钱德勒市和俄勒冈州希尔斯伯勒市的英特尔制造I厂或许能解开这些疑问。

芯片有什么用

1950年代末起,芯片或者说集成电路开始取代体积庞大的单个晶体管。许多微型晶体管被放到一块硅片上并连接在一起,构成了芯片。芯月可以存储数据、放大无线电信号和执行其他操作。英特尔著名的微处理器就是芯片-种变体, 可以执行计算机的大部分运算功能。英特尔已经成功将微处理器上的晶体管缩小到了令人难以置信的尺寸。但英特尔的竞争对手台积电可以生产更小的元件,这也是苹果选择台积电为其制造最新款iPhone芯片的一大关键原因。台积电的胜利进一步表明, 技术差距正在不断扩大。而中国台湾的地缘政治风险和地震、干早等自然威胁,可能会为计算、消费设备和军事硬件发展带来挑战。因此,英特尔重回技术领先地位的努开始受到人们的关注。

芯片如何制造

芯芯制造商正将越来越多的晶体管封装到每一块硅片上, 这就是技术能力每年都在提高的原因。也正因此,新建一-座芯片厂 要花费数十亿元,很少有公司能负担得起这么大一笔成本。除了厂房和机器,公司还必须所巨资开发复杂的加工步骤,用唱片大小的晶圆来制造芯片。大的机器会先规划好每块晶圆上的芯片设计,然后在材料层上放置和蚀刻出晶体管,并将其连接起来。

加工一块晶圆需要数千个步骤和长达两个月的时间。近年来,台积电产量领先,旗下每家超大型晶圆厂都拥有4条或以上生产线。市场研究公司TechInsights副主席 丹:哈奇森(Dan Hutcheson)预计,台积电每家超大型晶圆厂每个月可以加工超过10万块晶圆,而英特尔计划投资100亿美元的两家亚利桑那州工厂每个月的产能约为4万块晶圆。

芯片如何封装

加工后,晶圆会被切成单独的芯片。这些芯片会经受测试并用塑料封装包裹起来,以便连接到电路

板或系统_上。这一步已经成为了新的战场,因为晶体管越小,制造难度就越大。现在,各大企业会把多个芯片堆叠或并排封装在一起并连接起来, 让它们像-整块硅片- 样发挥作用。如今,将少量芯片封装在一起已经成了 -种常规做法。英特尔开发出了-种先进的产品,可以利用新技术将47块独立芯片捆绑在一起,中包括-些由台积电和其他公司制造的芯片, 以及英特尔自

己晶圆厂生产的芯片。

芯片厂有何不同之处英特尔的芯片通常单价为几百至几千美元。例如,英特尔今年3月发布了其最快的台式电脑微处理器,起步价为739美元。-点肉眼看不见的灰尘就可以毁掉一块芯片。 因此,晶圆厂必须比医院手术更加干净,需要复杂的系统来过滤空气、调节温度和湿度。晶圆厂还必须防止一切震动,因为震动可能会导致昂贵的设备发生故障。因此,晶圆厂的洁净车间必须建在安装特殊减震器的巨大混凝土板上。移动大量液体和气体的能力同样重要。英特尔的工厂约有21.3米高,天花板上装有巨大的风扇,帮

助空气循环流通到正下方的洁净车间。洁净车间下有成千上万个泵压器、电源柜、水电管道,以及与生产设备连接的冷却机。

对水的需求

晶圆厂是水资源密集型工厂,许多生产制造环节都需要水来清洁晶圆。钱德勒市的两家英特尔工厂每天需要当地公用事业单位提供1100万加仑水。未来英特尔工厂进-步扩建后将会需要更多的水,这对于亚利桑那州这样饱受干旱困扰的州而言似乎是一个挑战, 该州已经削减了农民的用水配额。不过实际上,农业消耗的水远比一家芯片厂多得多。英特尔表示,钱德勒市的工厂依靠=条河流和一个井水系统提供用水,且通过过滤系统、沉淀池和其他设备回收了约82%工厂使用的淡水。这些回收的淡水会被送回钱德勒市,经英特尔资助的处理设施处理后,重新用于灌溉或其他非饮用用途。

晶圆厂如何建造

英特尔未来3年需要大约5000名熟练建筑工人来建造厂。这些工人有许多工作要做:先要清除约68万立方米泥土挖掘地基,然后要浇筑超过34万立方米混凝土、使用10万吨钢筋来打造地基。-年前就任英特尔首席执行官的帕特里克基辛格(Patrick Gelsinger) 正在游说国会拨款支持晶圆厂建设,并为设备投资提供税收减免。

为解决芯片短缺问题,英特尔将不得不生产其他公司设计的芯片。但是,-家公司能做的事情是有限的,手机和汽车这样的产品需要来自许多供应商的零部件和旧芯片。同样,在半导体领域,没有任何一个国家能够彻底实现自给自足。尽管发展国内制造业可以在-定程度上降低供应风险,但芯片行业依然需要复杂的全球企业网络来提供原材料、产设备、设计软件、人才和专业制造。

(本文为《纽约时报》独家授权,译者:钱功毅,题图为"俄勒冈州希尔斯伯勒的英特尔芯片制造

厂,工人们在洁净车间里安装自动化材料处理系统”。)


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