时代杂志:美国短期解决不了芯片制造问题


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“唯一的操作员是在天花板上的机器人”,Chris Belfi说,他身着 Tyvek 兔子套装,在photo-safe灯下染成黄色。机器人则在高架轨道上匆匆而过,眨眼和呼呼。每隔几秒钟,就会有一个机器人在一台巨大的机器上方停下来。从它洗衣篮大小的肚子里,一个塑料盒子掉在细线上,就像汤姆克鲁斯穿着紧身连衣裤一样。它装载着珍贵的货物:多达 25 个闪亮的硅片,每个大小为 12 英寸。我们将它们转变为微型计算机大脑的过程——称它们为微芯片、半导体或只是芯片——需要近三个月的时间。“我使用一个像烤蛋糕这样的类比,”芯片制造商GlobalFoundries的自动化工程师 Belfi 说。“唯一的区别是我们的蛋糕大约有 66 层。”


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这座价值 150 亿美元的综合设施隐藏在纽约Albany以北的树木后面,是美国少数先进的半导体工厂或“晶圆厂”之一,其接收码头可接收 256 种特种化学品,如氩气和硫酸。它的运输码头发出成品硅片,准备好以供切割,然后装入金属和陶瓷外壳中,然后组装成从安全气囊到搅拌机、耳机到战斗机的所有物品。



自 2011 年开业以来,Fab 8 一直保持低调。但与卫生纸和鸡翅一样,这场大流行震惊了全球半导体供应链,导致令人惊讶的地方出现短缺,并将美国半导体行业拉到了舞台中央。汽车行业受到的打击最为严重。这主要因为当最初的封锁导致汽车销售崩溃时,汽车制造商削减了包括半导体在内的零部件订单。(一辆典型的新车可能包含超过一千个芯片。)芯片制造商看到了这种疲软,并改变了他们的产能,以满足对网络摄像头和笔记本电脑等消费电子产品的激增需求。



但是,当去年秋天汽车销量回升时,一个戏剧性的失误变得明显:汽车制造商无法获得足够的芯片。知道现在,他们仍然不能。现在预计芯片缺货将导致 2021 年全球汽车产量减少 390 万辆,即 4.6%。仅福特就预计将减少 110 万辆汽车的产量,从而导致 25 亿美元的收益受到影响。


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随着汽车制造商和芯片制造商争先恐后地寻求平衡,白宫介入提供帮助,敦促行业领导者理清供应链并增加产量。问题不仅在于美国生产的芯片数量不足。问题在于根本没有人关注芯片的制造地点——更重要的是,制造它们需要多长时间。6 月,美国参议院通过了一项拨款 520 亿美元的两党法案,旨在增加芯片生产和尖端研究——直接与中国成为全球半导体冠军的雄心竞争。但新的芯片工厂需要数年时间。分析师现在担心,汽车芯片短缺将再次影响到消费电子产品,影响制造业一直到圣诞节。



“从未见过这样的事情,”特斯拉首席执行官埃隆马斯克在推特上写道。



芯片长期以来被尊为现代社会的大脑,现在它已成为其最头疼的问题,当前的风险也超出了大流行时期的短缺。由于芯片是众多战略技术的重要组成部分——从可再生能源和人工智能到机器人和网络安全——它们的制造已成为地缘政治的刺。在 20 世纪,石油是至高无上的全球资源。但今年的短缺在政策制定者和外交官中引发了 21 世纪的流行语:芯片是新的石油。随着美国重新回到大流行后的生活,稳定的半导体供应已成为准备和恢复能力的高度优先基准。除了有一个更大的问题:半导体是在美国发明的,但是像 GlobalFoundries 这样的晶圆厂已经成为一个垂死的品种。1990年,37%的芯片是在美国工厂生产的,但到 2020 年,这个数字下降到只有 12%。成长中的所有新蛋糕都流向了亚洲:中国台湾、韩国和中国大陆。芯片厂不仅仅是工厂,还是美国自力更生的关键。




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半导体令人震惊,因为在制造过程中需要将数十亿个晶体管装在一个一角硬币大小的空间中,而且它们的制造难度惊人。如果亨利福特想象一条装配线,那么硅片通过工厂的路径更像是一个迷宫。在 GlobalFoundries,从原材料到成品芯片的旅程——像 Belfi 这样的工程师称之为“工艺流程”——通常需要 85 天,包括一千多个步骤。一直以来,芯片都在称为 FOUP 的密封舱中运输,完全不受人手的影响。机器人在小型房车大小的机器上方的悬挂轨道上行驶。在制造过程中,有机器人用像液体砂纸一样的浆料抛光晶片。另一些机器人则使用激光来压印仅 12 纳米宽的电路——大约是你的指甲在 12 秒内生长的长度。电子显微镜检查晶片是否有缺陷,机械臂一次性地将 25 个硅片浸入化学浴中,就像狂欢节的灌篮池一样。“我们基本上每天都在晶圆厂的每个部分之间来回移动晶圆,”Belfi说。“putting things on, taking it off, printing, putting more on, taking more off。”在这个过程中,有很多事情要做,而人类只有在出现问题时才会介入。停止器(showstopper)是其中一台光刻机的问题,它决定了整个操作的节奏。每个成本都超过 1 亿美元。“当其中一个倒下时,所有人都停下来。”Belfi说。其实,在COVID-19 来袭时,晶圆厂从未停止过。“我们从来没有关闭过一家工厂——一个小时都没有,”GlobalFoundries 的首席执行官 Tom Caulfield 在他位于晶圆厂楼层上方两层的办公室里回忆道。长期以来,工程师们一直习惯于戴口罩和全套个人防护装备,照常监视机器人。事实证明,商业冲击更难处理。与许多行业一样,Caulfield最初的财务模型让他为最坏的情况做好了准备。“我们告诉我们的团队,‘我们一起进入了这场大流行;我们要一起退出。世界需要我们继续制造半导体。’”这不是轻描淡写。芯片为大流行应对提供了动力——网络摄像头、笔记本电脑、COVID-19 测试机。仅在纽约市,教育部就购买了 350,000 台 iPad。



大流行器件,似乎没有人需要的唯一一个东西就是一辆新车,至少一开始是这样。2020 年 4 月、5 月和 6 月,汽车的销售额下降了三分之一。汽车零部件制造商——不是名牌汽车公司,而是他们的供应商及其供应商的供应商都取消了订单。



但是半导体晶圆厂不能turn on a dime。代工是芯片行业合同制造商的术语,就好像价值 150 亿美元的 Kinko。仅 GlobalFoundries 就为 250 多个客户制造芯片,这些客户又为设备制造商提供组件——苹果或三星等知名品牌,以及大陆或博世等工业品牌,整个供应链很长。制造一个芯片则需要三个月的时间,但在此之后的几个月内,它不会最终出现在汽车发动机或智能扬声器中——而且到消费者手中,还需要几个月。在 GlobalFoundries 的任何一天,在某个生产阶段可能只有 10 种不同的芯片。每个独特的新芯片设计都以 6平方英寸的面积出现. 一块石英玻璃称为标线(reticle)。就像一张旧的照片幻灯片,它包含一张芯片图,准备好用激光投影到硅片上。标线是它自己的商业秘密,属于设计它的公司的受保护知识产权,并根据 GlobalFoundries 专有工艺的独特规格进行了调整。切换晶圆厂并不容易,而且绝对不会很快。



感恩节前后,大流行八个月后,Caulfield 的电话开始响起,哪些从未听说过 GlobalFoundries 的汽车高管意识到没有他们就无法制造汽车。“如果你是一家汽车制造公司的供应链所有者,并且你没有发货汽车的原因是因为你没有 5 美元或 10 美元的芯片,那么你永远不会让这个再次发生,”Caulfield 说。到了新年,其影响令人震惊。2019 年,汽车行业在芯片上花费了 430 亿美元,但它们仅占整个芯片市场的 10%。全球最大代工厂台积电(TSMC) 为汽车行业提供的芯片比其他任何公司都多,但汽车行业仅占其收入的 3%。(苹果占 20% 以上。)在 GlobalFoundries,用于汽车的芯片占其业务的不到 10%——这足够重要,但还不足以警醒。



今年情况发生了变化,当时芯片制造商的政治风险急剧上升。Caulfield 呼吁他的工程师“重新混合他们的输出”,搁置一些订单并优先考虑汽车芯片。“我们做出了非常艰难的决定,”Caulfield 说。“无论我们在哪里可以创造更多产能,我们都会将其有限提供给汽车,以确保我们不再是制造的大门。” 其影响对他来说是显而易见的。“我不需要白宫的来信就可以做正确的事。”


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但白宫正在关注。今年之前,立法者将芯片制造视为当地经济问题。参议院多数党领袖查克舒默支持在他的家乡纽约州建设 GlobalFoundries 的晶圆厂,并游说更多晶圆厂渠道当地。但大流行揭示了芯片制造的下降不仅与就业和区域经济影响有关,而且在全球范围内也具有战略意义。2 月,拜登总统签署了一项行政命令,启动对关键供应链的审查。如果大流行可能导致跨行业的芯片引发的冲击,还会发生什么?“我们明确地将地缘政治视为我们供应链的风险之一,”一位高级政府官员表示。



在半导体制造的早期的1960 年代,英特尔联合创始人戈登摩尔观察到,他和他的同事们能够将他们每年可以挤在芯片上的晶体管数量增加一倍。十年后,这种创新步伐放缓(略微)至每两年翻一番。芯片变得更快、更便宜、更高效,最终实现了一种社交提升——为装在口袋里的计算机提供动力。



但是众所周知,摩尔定律并不是自然事实,而是为构思新的芯片设计并找到制造它们的方法而在研发上投入巨资的来之不易的结果。实际上,每一代的半导体都需要一个新工厂来制造。众所周知,每一个新的“工艺”都以芯片最小特征的尺寸命名,就像珠宝商的指尖越来越细一样。在 1970 年代,芯片以微米或百万分之一米为单位进行测量。自 1980 年代以来,“前沿”晶圆厂以纳米或十亿分之一米为单位来测量他们的工艺。今天,该基准由台积电设定,台积电运营着 5 纳米晶圆厂,用于生产苹果最新的电脑和平板电脑的新 M1 芯片。工艺尺寸的每一步缩小——以及性能的提高——都需要用最新一代的光刻机对晶圆厂进行改造,以“打印”芯片,以及环绕它们的设备群。最新的晶圆厂耗资至少 120 亿美元。



今天,半导体行业主要分为设计芯片的“无晶圆厂”公司和制造芯片的代工厂。“确实有两个巨大的固定成本,”彼得森国际经济研究所的经济学家查德鲍恩说。“一套固定成本就是所有的研发——你需要想出芯片的想法。另一个固定成本是所有资本设备——你需要建造这些晶圆厂之一。” 几十年来,像英特尔这样的领先公司都做到了这两点。“真正的男人有晶圆厂,”Advanced Micro Devices 的前首席执行官杰里·桑德斯 (Jerry Sanders) 在 1990 年代的一句著名的言论中强调了这个。但这现在已经过时了,AMD 也在 2009 年开始无晶圆厂——将其芯片工厂出售给 GlobalFoundries。


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中国台湾的台积电率先区分了晶圆厂和无晶圆厂,并主导了今天的行业。其创始人Morris Chang出生于中国大陆,在美国接受教育。1960年代和1970年代在德州仪器工作时,他的工程创造力和管理敏锐度堪称传奇。他帮助提高了一家芯片厂的“产能”——足以出售的芯片数量——并压低了价格。但在管理了 TI 的整个半导体部门之后,Chang 得出的结论是,他永远不会成为美国的 CEO。“我觉得我基本上是被放牧了,”张在出版的口述历史中回忆道。“我进一步发展的希望破灭了。”



在德州仪器工作期间,Chang 看到了芯片工厂成本的上涨,以及它阻碍创新的方式。他的同事们渴望通过新的创新来实现自己的突破,但永远做不到。如果您必须经营自己的晶圆厂,进入门槛就太高了。为此他抓住了他所谓的“纯代工厂”的想法——一家专注于为他人制造芯片的商业半导体公司——并在中国台湾政府的支持下,于 1987 年创立了台积电。



这是全球贸易政策的一个美好时刻。里根政府制定了政策来对抗日本不断增长的半导体生产——但第一任布什政府采取了更加不干涉的方式。“薯片,电脑芯片,有什么区别?” 乔治·HW·布什的经济顾问迈克尔·博斯金有句名言。随着台湾的台积电,韩国和中国大陆公司开始加大芯片制造,建设高科技晶圆厂,而这通常特是在政府补贴的帮助下。到 1990 年代,即使是英特尔,也开始将一些生产转移到海外。“虽然这一切都在发生,但我们强烈地坚持我们的市场经济学原则”,领先的贸易组织半导体行业协会的首席执行官约翰·纽弗说。普遍的态度是不理会公司——不让政府做生意。



当 2010 年苹果公司宣布其首款定制设计芯片 A4 时,在半导体行业中不言而喻的是,它将由亚洲的一家代工厂制造。这尤其刺痛了英特尔,在此之前,英特尔一直设计和制造苹果芯片在其设备中使用。但该行业的这种划分已经成为常态,并且一直延续到今天:最复杂的芯片可能仍是在美国设计但在海外制造。硅谷仍然名副其实——但这要归功于数十家无晶圆厂芯片设计初创公司,而不是曾经取代果园的代工厂。如果没有亚洲国家提供的政府激励措施,这种情况不太可能改变。“美国的政策是‘我们不创造赢家;我们让资本主义运转,’”GlobalFoundries 的 Caulfield 说。“如果世界各地的每个人都这样玩,那是一种伟大的哲学。”



现在美国立法者正在改变方向。6 月的参议院法案,正式的美国创新和竞争法案,旨在与中国竞争,部分是通过补贴半导体制造。“几年来,两党越来越达成共识,美国需要进行更多国内投资以保持我们的竞争优势,尤其是在与中国进行某种战略竞争的时代,”一位高级政府官员表示。“这是一个简单的政治监督,”半导体行业协会的 Neuffer 说。“这不再是疏忽了。”



特朗普政府激进的贸易政策为共和党人支持更大的经济干预打开了大门。现在他们要求更多。“这里确实有一个错误,”保守派智库 American Compass 的执行董事奥伦·卡斯 (Oren Cass) 表示,他将半导体视为美国经济政策必要转变的“终极案例研究”。“它们显然是高科技,它们长期以来一直是美国的主导领域,它们显然具有国家安全意义,你可以很好地量化谁领先或落后,”卡斯说。“它以其他几件事无法做到的方式将问题具体化。”



对于拜登总统来说,半导体是刺激美国高科技产业的机会。“这是基础设施,”总统在 4 月说,当时在白宫的他还举着一块闪闪发光的硅片。



但将领先的半导体制造带到美国需要数年时间。今年 3 月,英特尔宣布计划斥资 200 亿美元扩建其位于亚利桑那州的工厂,专门为他人制造芯片,作为新成立的英特尔代工服务部门的一部分。但与台积电不同的是——它自己在建一座新工厂。据估计,亚利桑那州将耗资 100 亿至 120 亿美元,甚至可能更多——但它将无法制造尖端芯片。更小意味着更快,因为您可以将更多的晶体管挤进更小的空间。但英特尔一直在努力使其 7 纳米节点上线,而台积电正在超越其 5 纳米节点并准备生产 3 纳米节点。(据报道,苹果将再次成为其主要客户。)英特尔负责美国政府关系的副总裁 Al Thompson 表示,这关乎“产能和能力”。“我们将在美国投入大量资金,创造大量就业机会,让我们走上一条道路,确保我们尽自己的一份力量保护我们国家的经济和国家安全。” 但是要赶上还有很长的路要走。



4 月,一家名为 Cerebras 的硅谷初创公司宣布推出一款名为 CS-2 的新计算机。它并不适用于 Zoom 通话或 Netflix 派对,而是适用于人工智能领域最复杂的研究——例如发现抗癌药物或模拟融合反应。它的核心是一个定制设计的芯片,具有非凡的新设计。


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和其他芯片是通过切碎一个 12 英寸晶圆制造不一样,Cerebras 找到了一种方法来制造一个巨大的芯片,就像一个饼干蛋糕。今天的智能手机芯片包含数十亿个微型晶体管,像微型城市一样蚀刻在硅片上。Cerebras 的定制芯片包含数万亿个晶体管。为了让它发挥作用,Cerebras 工程师找到了一种方法来解决硅晶片的基本缺陷。通常,它们是从硅锭上切下来的,比如熟食意大利腊肠。但即使是这些水晶盘中最复杂的也有缺陷,这会毁掉芯片。半导体设计人员和制造商通过保持每个芯片的尺寸小,并扔掉坏的来解决这个问题。(产能是剩下的。)



Cerebras 的工程师创建了一个包含 850,000 个相同块的设计,以及一个可以关闭任何有缺陷部分而不损坏整个芯片的系统。大多数超级计算机将数千个单独的芯片链接在一起。但是在这些芯片之间移动信息会减慢速度。Cerebras 将所有这些都保存在一个巨大的芯片上。Cerebras 首席执行官安德鲁·费尔德曼 (Andrew Feldman) 表示:“我们找到了一种方法,可以利用硅以接近光速的速度传输信息这一事实,而且只需将比特移动到其他地方所需的功率的一小部分。” 对于制药商葛兰素史克和阿贡国家实验室等客户而言,它提供了人工智能突破所需的动力——这是美国技术政策的一个关键目标。



这种大胆的想法定义了硅谷创新的早期,以及美国芯片设计师的持续创造力。但如果在 1960 年代和 1970 年代,芯片厂遍布山谷,那么到了 Cerebras 为其芯片寻找晶圆厂的时候,就没有本地选择了。“如果你想在最前沿的晶圆厂制造芯片,只有两种选择,”费尔德曼意味深长地说。“你可以选择中国大陆,也可以向非军事区扔石头”——他的意思是中国台湾的台积电和韩国的三星。与苹果公司(其总部距离酒店仅 10 分钟车程)一样,Cerebras 使用台积电进行制造,使用其 7 纳米晶圆厂。



如果美国创新与竞争法案在众议院通过并成为法律,数十亿联邦资金将流入半导体行业——这已经是最赚钱的行业之一。但要将这些投资转化为新的芯片工厂、新的芯片设计和新的工程人才管道,还需要数年时间。该行业面临的挑战不仅是要赶上台湾今天的水平,而中国计划在 2025 年达到这一水平,还要在未来达到他们的水平——或者走得更远。



除了芯片非线性改进。3 纳米节点比 5 纳米节点贵。“保持领先地位所需的资金不断增加,”独立芯片制造专家 Alisa Scherer 说。时间跨度也是如此。几乎不可能跳过一代。仅环境许可一项就可能需要数年时间。“这些不是塔可钟,”费尔德曼说。“你不会把他们击倒。他们不是装在盒子里的。” 对于他的巨型 AI 芯片,台积电和三星是唯一的两个选择,“眼见为实”。



在那之前,芯片制造——以及它引起的所有地缘政治和经济影响——将继续依赖于一个微妙地横跨海洋的全球网络。


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