如今，晶片半導體的短缺給世界各地的汽車製造商和科技巨頭都敲響了警鐘，這場危機向政策制定者、消費者和投資者提出了一個根本性的問題：為什麼我們不能生產更多的晶片？

外媒彭博社對這一問題進行了回答：製造晶片是很難的，而且還會越來越難。在當地時間 5 月 6 日釋出的深度報道中，彭博社對晶片製造技術的發展、晶片製造流程、建廠成本，以及晶片製造市場的競爭能力進行了拆解和分析。

製造一個晶片通常要花三個多月的時間，需要巨大的工廠、無塵的車間，在價值數百萬美元的機器上用熔化的錫和鐳射來操作。最終，普通的矽晶片被轉化成由數十億個電晶體組成的積體電路組，為電話、電腦、汽車、洗衣機或衛星等裝置賦予關鍵功能。

事實上，建造半導體制造設施需要數年時間和數十億美元的投資，而且擁有先進製造技術的公司才能擁有競爭優勢。英特爾公司前老闆克雷格・巴雷特（Craig Barrett）就曾說過，英特爾的微處理器是人類有史以來製造的最複雜的裝置。

目前的晶片製造市場中，頭部企業所佔的市場份額越來越大，英特爾、三星和臺積電三家晶片製造公司去年創收的金額共計達到 1880 億美元，幾乎佔了 2020 全年各大晶片製造商收入總額的一半。其他製造商要與他們競爭，正在變得越來越困難。

這就是各國想要實現半導體自供應，卻面臨重重困難的原因。目前，中國在新的五年計劃中明確提到，要在 2025 年將晶片自給率提高至 70%，而美國總統拜 登（Joe Biden）則承諾要振興國內製造業，來建立安全的美國供應鏈。此外，歐盟也在考慮製造自己的晶片。

▲機械臂將矽片送入晶片製造機器

一、奈米級矽片上，整合數百億個電晶體

大多數晶片的本質是執行軟體、處理資料和控制電子裝置功能的電路組，這些電路的排列賦予了它們特定的用途。下面是英偉達（NVIDIA）在 2020 年推出的晶片 GeForce RTX 3090，目前在將計算機程式碼轉換為逼真的電子遊戲畫面這一領域，這款晶片的效能首屈一指。

▲英偉達的 GeForce RTX 3090 晶片

可以看到，這款晶片寬 2.342 釐米，長 2.6829 釐米，芯片面積是 6.28 平方釐米，在其上集成了 283 億個電晶體。晶片中包含五個關鍵部分，分別是 NVLink 介面、幀緩衝、輸入 / 輸出介面、L2 與記憶體控制器，以及圖形處理叢集。

晶片製造公司試圖在晶片中封裝更多的電晶體，以提高晶片的效能和裝置的效率。英特爾在 1971 年釋出了第一款微處理器 4004，它只有 2300 個電晶體，節點大小為 10 微米。

接下來，從 1993 年的奔騰處理器、2001 年的至強處理器，再到 2006 年的酷睿 Core2 Duo 處理器，英特爾領頭突破了 1 微米和 100 奈米的技術節點，是當之無愧的行業領頭羊。

不過，晶片製造業並非一直是英特爾一枝獨秀的場面，更多玩家加入了晶片設計和生產的行列。2009 年，由英偉達設計、臺積電代工生產的 GeForce GTX 275 在 55 奈米的晶片上集成了超過 10 億個電晶體；而在 2013 年，蘋果設計、三星生產的 A7 晶片將 10 億個電晶體封裝在了僅僅 28 奈米的晶片中。

在 2015 年至 2020 年間，臺積電（TSMC）和三星開始生產節點只有 5 奈米的晶片，終結了英特爾長期以來遙遙領先的領導地位。

▲晶片製造技術發展歷程

二、比手術室更乾淨的無塵製造房

單個電晶體的體積比病毒還小許多倍，所以一粒塵埃就會破壞晶片的製造過程，讓價值幾百萬美元的努力付之東流。為了避免這種風險，晶片製造工廠需要保持無塵的內部環境。

▲一級晶片製造無塵室與醫院手術室空氣中灰塵含量的比較

為了維持無塵的環境，工廠內的空氣被不斷過濾，工廠內部也很少允許人員進入。如果有一兩個身穿全套隔離服的工人出現在晶片生產線上，他們可能只是維護和修理人員，半導體設計和開發背後真正的天才們遠在千里之外。

▲在美國紐約馬耳他的格芯半導體工廠，一名穿著防護服的員工走過一間無塵室

即使有著嚴格的預防措施，矽片也不能被人類接觸，或是直接暴露在空氣中。它們被裝在帶暗盒的機器人裡進行運送，這些機器人帶著它們在工廠天花板的軌道上移動。

▲工廠天花板上運送晶片的暗盒機器人

三、在原子水平上精細操作、反覆迴圈

一塊晶片中包含著上百個微材料層，其中一些層只有一個原子那麼薄。

要在這麼薄的材料層上形成複雜的三維電晶體結構，最困難的步驟之一就是光刻。它是由荷蘭的晶片製造裝置提供商阿斯麥（ASML）的機器完成的。該公司的機器利用鐳射在矽片的微材料層上燒刻出電路圖案，再在後續的自動化過程中清洗掉不需要的部分。

目前最先進的裝置是極紫外線（EUV）光刻機。ASML 的機器用鐳射脈衝轟擊熔化的錫滴讓其蒸發，當它蒸發時，就會發出所需的極紫外線。然後，還需要用透鏡把光聚焦成更薄的波長。

▲晶片製造步驟示意圖

在一個完整的晶片製造流程中，通常包含以下 7 個步驟：

1、在矽片表面塗上絕緣和導電材料層，然後均勻覆蓋一層光刻膠材料；

2、設計好的積體電路圖樣被對映到稱為掩模的玻璃板上，紫外光通過掩模將電路圖樣轉移到矽盤上的光刻膠層；

3、去除非暴露區域的光刻膠，然後烘烤以去除溶劑化學物質；

4、用氣體或化學物質，清洗掉晶圓上未受光刻膠保護的區域；

5、在晶圓上噴灑離子氣體，這些氣體通過新增雜質（如硼和砷）來改變新層的導電效能；

6、用類似的方法鋪設電晶體之間的金屬連線；

7、每個完整的晶圓包含數百個相同的積體電路。這些晶圓被送去組裝、封裝和測試，並被切割成獨立的晶片。

其中，步驟 1~5 會根據設計電路的特性，被重複數百次，使用不同的化學物質建立更多的微材料層。

四、建廠成本高，三大製造商頂起半邊天

晶片工廠一天 24 小時、一週 7 天從不停工，其原因就是成本。

要建立一個每月生產 5 萬個晶圓的入門級工廠，其成本約為 150 億美元，其中大部分的資金用於購買專業裝置。

然而，花在大型的晶片製造裝置上的資金是有時效的，也就是說，隨著製造技術更新迭代，晶片製造裝置在 5 年或者更短的時間內就會過時。為了避免虧損，晶片製造商必須在每個工廠中創造 30 億美元的利潤。

自 2015 年以來，用於晶片製造的裝置銷量翻了一番，晶片製造裝置市場的銷售額在 2020 年首次超過了 600 億美元。

▲晶片製造裝置自 2015 年以來的銷售情況

英特爾、三星和臺積電這三家公司在工廠建設上的投資毫不吝嗇。他們的工廠非常先進，每個工廠的成本超過 200 億美元。據悉，今年，臺積電將在新工廠和裝置上投入多達 280 億美元。

目前來看，只有頭部晶片製造公司才有能力建造多家工廠。根據彭博社整理的 2020 年各大晶片製造公司的營收情況來看，營收前 3 名英特爾、三星和臺積電在去年創造了 1880 億美元的收入，這一數字幾乎相當於排在其後的 12 家晶片製造商收入的總和。

▲2020 年各大晶片製造公司營收情況

晶片製造行業殘酷的經濟形勢意味著，其他公司要追上這三大頭部公司，會變得越來越困難。

如今，每年出貨的大約 14 億個智慧手機處理器中，大部分都是臺積電製造的；英特爾在計算機處理器市場上佔有 80% 的份額；而三星在儲存晶片領域佔據主導地位。對包括中國在內的其他所有國家來說，要想打入這個市場，並不容易。

結語：“缺芯”危機持續，晶片製造產業還將發力

自去年年底爆發的晶片短缺危機，至今還沒有出現緩解的跡象。由於晶片製造過程的複雜性，以及晶片生產對先進製造技術和裝置的依賴性，要在短時間內擴大晶片產能來緩解“缺芯”潮並不是一件容易的事情。

對於晶片生產的三大頭部玩家來說，他們已經佔據了相當大的市場份額和資源，繼續加大投資力度、升級晶片製造工藝、提高造芯效率似乎已經成了必然的趨勢。而其他的晶片製造商也沒有完全失去機會，比如說，在我國國家政策的鼓勵下，接下來幾年或許還會湧現出晶片製造的後起之秀。