芯片之戰(zhàn)

安德魯·布魯姆 Kyle

一塊未經(jīng)切割的12英寸晶圓，上面布滿了各類芯片。

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芯片荒

“唯一的操作員是天花板上的機(jī)器人。”裹著杜邦特衛(wèi)強(qiáng)防護(hù)服的克里斯·貝爾菲說。在安全燈光的照射下，他整個人被染成黃色。機(jī)器人從頭頂?shù)能壍郎巷w馳而過，閃爍著發(fā)出呼呼聲，每隔幾秒，就有一個停在一架巨大的機(jī)器上面。接著，一個塑料密封盒從機(jī)器人洗衣籃大小的肚子里掉出來，落在一根細(xì)線上。盒子里裝著珍貴的貨物：25個閃閃發(fā)亮的硅晶圓。它們是芯片的基板，每個大小足有12英寸，把它們制成芯片或者說半導(dǎo)體大致需要三個月。“將晶管體裝在硅晶圓上，我會用烤蛋糕來比喻這個過程?！备窳_方德晶圓代工廠的自動化工程師貝爾菲說，“唯一的區(qū)別在于，我們的蛋糕有66層?！?p>

格羅方德八號工廠的潔凈室容納了所有生產(chǎn)設(shè)備。

這座耗資150億美元的復(fù)合建筑位于紐約州奧爾巴尼市北部森林的隱蔽處，是美國少數(shù)幾個高端半導(dǎo)體加工廠或晶圓制造廠之一。它的接收區(qū)可以接管256種特用化學(xué)品，比如氬和硫酸。自裝貨區(qū)發(fā)走的晶圓成品，經(jīng)切割和封裝后，會被組裝進(jìn)從安全氣囊到攪拌機(jī)、從耳機(jī)到噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的任何東西。

芯片長期以來被尊為“現(xiàn)代社會的大腦”，如今卻成了最令人頭疼的問題。新冠疫情沖擊了全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，汽車行業(yè)所受打擊最重。預(yù)計(jì)在2021年，芯片短缺將造成全球汽車產(chǎn)量銳減390萬輛，僅福特一家就會減少110萬輛。而且，芯片短缺帶來的風(fēng)險遠(yuǎn)不止于此，因?yàn)樗窃偕茉?、人工智能、機(jī)器人等一系列戰(zhàn)略性技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，它的制造廠是地緣政治家們的必爭之地。芯片雖是美國的發(fā)明，但像格羅方德這樣的晶圓制造廠在美國已經(jīng)不多。1990年，37%的芯片產(chǎn)自美國工廠，但到了2020年，這一數(shù)字已降至12%。

?芯片工藝

芯片是一種神奇的東西，能把數(shù)十億個晶體管塞進(jìn)一枚硬幣大小的空間里，其制造過程更是難度驚人。拿格羅方德來說，芯片從原料到成品通常需要85天，包含上千道工序，工程師把這個過程稱為“芯片工藝”。整個流程中，硅晶圓一直待在前開式晶圓傳送盒里，完全不與人接觸。懸掛軌道式機(jī)器人會自動完成運(yùn)輸工作。軌道下方有兩臺房車大小的機(jī)器，一臺借助研磨液拋光硅晶圓;另一臺利用光刻技術(shù)將只有12納米寬的電路轉(zhuǎn)印到晶圓上。12納米是什么概念？它相當(dāng)于你指甲在12秒內(nèi)長出的長度。之后，電子顯微鏡負(fù)責(zé)檢查晶圓是否存在缺陷，機(jī)械臂一次將25個晶圓浸入化學(xué)液體中清洗?！拔覀兠刻旄傻幕罨旧暇褪前丫A在工廠各區(qū)域來回傳送?！必悹柗普f。工作人員只在發(fā)生故障時介入，比如每臺價值1億美元的光刻機(jī)，但凡它有點(diǎn)毛病，整個生產(chǎn)周期就會受到影響?！爸灰幸慌_宕機(jī)，我們都會全員出動?！必悹柗普f。

晶圓代工廠是芯片產(chǎn)業(yè)的行話，指的是提供半導(dǎo)體制造服務(wù)的工廠，比如價值1500億美元的金考。單是格羅方德，就為250多家客戶制造芯片，這些客戶轉(zhuǎn)而又向蘋果、三星等設(shè)備制造商或德國大陸馬牌、德國博世等工業(yè)集團(tuán)提供組件。晶圓代工廠的交期很長，一顆芯片就得三個月。在格羅方德，某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)每天加工的芯片種類不超過十種。每顆獨(dú)一無二的新芯片，其電路設(shè)計(jì)都是在一塊由石英玻璃作為襯底的掩膜版上完成的。通過激光刻蝕，掩膜版上的電路圖案會轉(zhuǎn)印到晶圓上。掩膜版本身技術(shù)性極高，屬于商業(yè)機(jī)密，其設(shè)計(jì)公司享有知識產(chǎn)權(quán)，并根據(jù)格羅方德的生產(chǎn)工藝調(diào)整出獨(dú)有的規(guī)格。

行業(yè)分工

在半導(dǎo)體制造的早期階段20世紀(jì)60年代，英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登·摩爾發(fā)現(xiàn)，每年他和同事們都能將芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量增加一倍。十年后，這一速度放緩至差不多每兩年。這被稱為“摩爾定律”，但它并非自然科學(xué)定律，而是人們?yōu)闃?gòu)思新的芯片設(shè)計(jì)并找到相應(yīng)的制造方法，繼而對芯片研發(fā)投入巨大的人力物力所取得的成果，它來之不易。事實(shí)上，每一代新芯片都需要一個新工廠來制造。每一種制程工藝都以芯片內(nèi)部的最細(xì)線寬命名：在20世紀(jì)70年代，人們采用微米工藝生產(chǎn)芯片;從80年代開始，最前沿的晶圓廠用的就是納米工藝了?，F(xiàn)下最先進(jìn)的制程工藝為臺積電所有，它生產(chǎn)的5納米芯片為蘋果電腦最新款供貨。芯片每一次縮小尺寸和提升性能，都需要晶圓廠配備最新一代的光刻機(jī)及相關(guān)設(shè)備。如今，建造一座最尖端的晶圓廠至少需要花費(fèi)120億美元。

當(dāng)下半導(dǎo)體行業(yè)主要分為兩類，一是被稱作“無晶圓廠”的芯片設(shè)計(jì)公司，二是制造芯片的晶圓代工廠?！霸谛酒a(chǎn)業(yè)，研發(fā)和設(shè)備都屬于必要支出?！北说蒙瓏H經(jīng)濟(jì)研究所的查德·鮑恩說。幾十年來，英特爾公司兩者兼?zhèn)?。美國超威公司?009年把晶圓廠賣給了格羅方德，開始主做設(shè)計(jì)。

自動物料搬送系統(tǒng)負(fù)責(zé)運(yùn)輸晶圓。

不過，重新定義芯片產(chǎn)業(yè)、開創(chuàng)芯片設(shè)計(jì)與制造分工模式的其實(shí)是臺積電。如今，這種模式主導(dǎo)了整個芯片行業(yè)。臺積電的創(chuàng)始人張忠謀在中國出生，在美國接受教育。20世紀(jì)六七十年代，張忠謀在“德州儀器”公司工作時便發(fā)現(xiàn)，芯片制造的成本不斷攀升，而這將阻礙芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。他的同事們渴望創(chuàng)新、自立門戶，但從未成功，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)與制造尚未分工的彼時，芯片行業(yè)的準(zhǔn)入門檻實(shí)在太高。1987年，張忠謀將他的“純晶圓代工廠”理念付諸實(shí)踐，創(chuàng)立了臺積電，專門提供芯片制造服務(wù)。

臺積電趕上了最好的發(fā)展時機(jī)。那時，里根政府出臺政策，以打壓日本日益增長的半導(dǎo)體產(chǎn)能。老布什政府則選擇不干涉半導(dǎo)體行業(yè)，他的經(jīng)濟(jì)顧問邁克爾·博斯金曾說過一句名言：“薯片、芯片，有何區(qū)別？”與此同時，得益于政府補(bǔ)助，韓國和中國大陸的公司同臺積電一樣，也在著手提升芯片產(chǎn)能、建造晶圓廠。到了20世紀(jì)90年代，就連英特爾也開始將部分生產(chǎn)工作外包給了境外企業(yè)。

格羅方德紐約工廠內(nèi)的化學(xué)生產(chǎn)線

2010年，蘋果發(fā)布了自主設(shè)計(jì)的A4芯片，該芯片由亞洲的一家代工廠生產(chǎn)。這尤其刺激到了英特爾，因?yàn)榇饲盁o論設(shè)計(jì)還是制造，一直是它的業(yè)務(wù)。但大勢所趨，這種分工模式逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)，并持續(xù)到了現(xiàn)在：最精密復(fù)雜的芯片或許仍由美國公司設(shè)計(jì)，但一定在海外生產(chǎn)。

征途漫漫

如今，美國政府正在轉(zhuǎn)變路子，參議院6月通過的《美國創(chuàng)新和競爭法案》就是實(shí)例。美國將通過補(bǔ)貼半導(dǎo)體制造業(yè)，與中國展開競爭。拜登認(rèn)為，發(fā)展半導(dǎo)體行業(yè)將激勵美國整個高科技產(chǎn)業(yè)。“芯片當(dāng)屬基建?！?月，他在白宮手舉一塊閃閃發(fā)光的晶圓片說道。

然而，美國得用時數(shù)年才能擁有尖端半導(dǎo)體制造廠。英特爾新成立了代工服務(wù)事業(yè)部，并于3月宣布計(jì)劃投資200億美元來擴(kuò)建亞利桑那州的工廠，專為其他公司生產(chǎn)芯片。而臺積電這邊，也正在亞利桑那州建造一座耗資100億～120億美元的新工廠。與臺積電不同，英特爾無法制造尖端芯片。芯片的導(dǎo)線線寬越細(xì)，意味著晶體管體積可以做得更小，能塞入的晶體管數(shù)量也就越多，如此，芯片的運(yùn)行速度便會更快。英特爾仍在努力讓7納米芯片上市銷售，而臺積電已經(jīng)突破5納米工藝節(jié)點(diǎn)，推出了3納米芯片且即將進(jìn)入大批量生產(chǎn)。據(jù)報道，蘋果將再次成為它的主要客戶。不得不承認(rèn)，英特爾要趕上臺積電仍有很長的路要走。

硅谷初創(chuàng)公司Cerebras推出新型計(jì)算機(jī)，用于人工智能領(lǐng)域最精密的研究，比如開發(fā)癌癥藥物和模擬聚變反應(yīng)。該機(jī)型的核心是像蛋糕一樣大的“巨芯”二代，它包含上萬億個微小的晶體管，對葛蘭素史克制藥公司和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室在人工智能方面取得突破可謂大有裨益。

要是在上世紀(jì)六七十年代，你還能在硅谷找到一大批晶圓制造廠，但現(xiàn)在，為尖端芯片找到美國本土生產(chǎn)商可不容易。“制造尖端芯片有兩種選擇，”Cerebras首席執(zhí)行官安德魯·費(fèi)爾德曼看起來頗有預(yù)見性，“要么游到中國大陸去，要么就找臺積電和三星投石問路?！焙吞O果一樣，Cerebras最終選擇了臺積電，采用了它的7納米制程。

芯片更新?lián)Q代大概需要美國整整一代人的付出。在此之前，它仍會掀起地緣政治和經(jīng)濟(jì)的波瀾。

[編譯自美國《時代周刊》]

編輯：要媛