​三个月，700道步骤，芯片制造为何那么难？

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来源：内容编译自「西雅图时报」，谢谢。

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十年前，Christopher Belfi在纽约州北部小镇附近的湖畔度假胜地等候，当时他得到了他一直在等待的职业生涯中断——一份到半导体工厂工作的邀请。

Belfi 最近从纽约州立大学奥尔巴尼分校获得技术学位，他开始与两名客户聊天，他们原来是附近半导体工厂的经理。“我曾经在大学里指导机器人团队。所以我们只是在谈论那个。他们把名片留在了我的支票簿里，我申请了就再也没有回头，”Belfi说。

他最初是一名技术员，负责修理在机器之间运送硅片的自动化设备。随着时间的推移，他开始监督自动化系统，该系统沿着天花板上的轨道推动数千个吊舱，每个吊舱都带有 25 个闪亮的圆盘，有朝一日将为手机、飞机或汽车安全气囊提供动力。

最近，这些轨道上挤满了比以往任何时候都多的吊舱，因为 GlobalFoundries 工厂——美国为数不多的类似工厂之一——竞相跟上对计算机芯片飙升的需求。

从牙刷和冰箱到真空吸尘器和汽车，这些微小的组件是越来越多的电子产品背后的大脑。随着智能手机和笔记本电脑使用更多组件，预计今年全球芯片销售额将增长 20%，明年将增长 9%。即使是最普通的产品——轮胎、门铃和灯泡——现在也需要芯片才能工作。

然而，建造半导体工厂的巨额费用——以及制造芯片所需的长达数月的过程——意味着全球需求远远超过供应。这迫使汽车制造商和其他芯片用户停产，并促使立法者支持联邦补贴，以促进美国芯片制造。

设计计算机芯片的公司有数百家，但在全球范围内进行大批量生产的公司不到两打，这让这些工厂承受着巨大的压力。

许多最大的工厂都在中国台湾，根据半导体行业协会委托编写的一份报告，台湾现在生产了全球 20% 的半导体和 90% 以上的最高技术芯片。 

亚洲作为一个整体生产全球约四分之三的半导体，而美国制造约 13%。为了促进美国的生产，参议院上个月批准了 520 亿美元的补贴，用于新工厂和芯片研究。该措施得到总统乔·拜登的支持，但仍必须在众议院通过，因为它尚未被添加到待定的立法中。

GlobalFoundries 由阿布扎比政府全资拥有，总部位于奥尔巴尼以北 30 分钟路程处的马耳他，它是美国生产的主要来源之一。马耳他工厂每天 24 小时运行，每年生产 500,000 个复杂的硅片，然后将其切割成单个芯片。

数百名员工在每个班次开始时都会穿上精心制作的防护装备，以防止散落的棉绒或头发损坏晶圆。即使是一粒灰尘也会破坏生产芯片的艰苦过程。

在最近的一个参观之前，Belfi 穿上了一套装备，当中包括两层短靴、两副手套、一个发网、一个兜帽和一件连身衣。护目镜和口罩也是标准配置，因此适应 COVID-19 协议“真的没有什么不同，”Belfi 说。

他管理着 95 个人，并学会了在他们的套装中识别他们。“你可以通过人们走路的步幅来认出他们，”他说。

工厂里充满了价值 100 亿美元的机器的静态嗡嗡声和黄光的温暖光芒，保护光敏硅片免受损坏。

12 英寸的硅盘在出厂时看起来就像闪亮的光滑镜子。三个月后，它们被复杂的蚀刻覆盖，形成数十亿个晶体管，这些微型开关控制电流并允许芯片执行任务。

沿途大约有 700 个加工步骤，通过这些步骤，按照每个芯片客户提供的设计，在彼此的顶部印刷和蚀刻数十层图案。

“设想做一个蛋糕，”Belfi在机器的噪音中说道。“在这种情况下，它将是一个 60 到 75 层的蛋糕，这个蛋糕大约需要两个半月、三个月的时间。”

为了创建每一层，硅片都涂有光敏化学物质。然后被称为光刻机的高科技打印机在晶圆上一遍又一遍地投射相同的微小图案，就好像它在棋盘的每个方块上印上相同的图案，每个方块代表一个未来的芯片。

之后，蚀刻机将这些图案雕刻到硅片上，更多的化学物质沉积并烘烤到表面上。当不同的图案相互叠加以创建数十层晶体管时，这个过程会一遍又一遍地重复。然后这些层通过铜线相互连接，以允许信号和电源在整个芯片中传输。

在这三个月的过程中，承载晶圆的吊舱很少休息，根据预先编程的路线从一台机器移动到另一台机器。

Belfi 和其他工程师在那里确保机器不会发生故障，随着需求的飙升，这项任务变得更加紧迫。典型的芯片工厂（称为晶圆厂）中的机器大约 90% 的时间都在运行，有 10% 的停机时间用于计划或紧急维护。

工厂中最关键和最昂贵的设备是在晶圆上打印复杂设计的光刻机。马耳他工厂有 20 个；每个成本大约为 1 亿美元。

“当机器发生故障时，重要的是要尽快修复它，”工厂总经理 Peter Benyon 说，他曾在新加坡经营一家 GlobalFoundries 工厂。

去年夏天，随着芯片需求飙升，马耳他工厂的一台光刻机出现故障。通常情况下，设备制造商荷兰公司 ASML 会派遣一名工程师来帮助修复它，但由于冠状病毒危机，这是不可能的。Benyon 说，取而代之的是，工厂技术人员戴着增强现实耳机与荷兰的 ASML 工程师联系，以便他们可以查看机器内部并监督维修。

让机器快速恢复运行可以帮助工厂生产出更多芯片。Benyon 说，因此可以减少每个晶圆的故障芯片数量。

但大幅提高产量意味着建造新工厂。据行业协会 SEMI 称，到明年，芯片制造商将在全球范围内开始建设 29 座新晶圆厂。

中国大陆和中国台湾将建造其中一半以上——各八座——其次是美国六座，欧洲和中东三座，日本和韩国各两座。

1990 年代初，美国制造了世界上三分之一以上的芯片，但随着芯片公司寻求更便宜的劳动力，以及台湾、韩国和中国大陆开始大力补贴芯片制造，生产转移到了亚洲。

市场研究公司 Forrester 的技术分析师 Glenn O'Donnell 表示，由于维持芯片工厂需要巨额成本，投资者还迫使美国芯片公司专注于半导体设计并将制造外包给亚洲。

“这是每个人都必须接受的短期华尔街心态的副产品，因为你必须让华尔街满意，”他说。

由于担心钟摆摆得太远，美国官员和立法者现在急于在联邦补贴的帮助下重建国内芯片生产。他们认为，随着芯片对武器系统和整体经济变得越来越重要，过度依赖亚洲会破坏国家安全。

“让美国拥有充足的半导体供应对我们的国防和经济安全很重要，”当时的参议院少数党领袖、DN.Y. 去年访问纽约工厂时说，当时他正在推动联邦资助法案。

GlobalFoundries 首席执行官汤姆考菲尔德在 2 月份接受采访时表示，如果获得参议院批准的部分联邦补贴，GlobalFoundries 计划将马耳他工厂的产量扩大至少四分之一。Caulfield 说，该公司的一些客户也准备投资扩大生产以确保稳定的供应。

该公司发言人Michael Mullaney)表示，目标是在未来几年利用公司、客户和联邦政府的资金将马耳他的产能翻一番。

GlobalFoundries 正在使用类似的投资组合来提高其海外工厂的产量；其计划以 40 亿美元扩建其在新加坡的芯片工厂，其中包括新加坡政府的资金。

与此同时，总部位于加利福尼亚的英特尔已承诺斥资 200 亿美元在亚利桑那州建立两家工厂。英特尔首席执行官 Pat Gelsinger 曾表示，美国的目标应该是将其在全球芯片生产中的份额提高到 30% 以上。

研究芯片行业的加州大学伯克利分校政治经济学项目主席史蒂文沃格尔表示，目前，美国制造商将很难与亚洲竞争对手的低成本和复杂程度相提并论。

“就价格和质量而言，台湾和韩国是世界上最好的，”他说。美国应该采取措施重建其半导体制造业，但“全球供应链有巨大的效率收益，”他说。

最先进的制造商——中国台湾的台积电和韩国的三星——都宣布了在美国建立新工厂的计划，如果它们成为法律，预计将有资格获得联邦补贴。

芯片公司强调需要更好的 STEM 教育和工人培训，为半导体制造劳动力做好准备。

“对我们来说，困难之一实际上是获得优秀人才，因为你在这里看到的很多东西，没有很多大学提供半导体制造课程，”Belfi说。

Belfi的团队中有几位前汽车机械师，还有一些曾经修理飞机的前空军机械师。“他们的很多外界激情都在萨拉托加赛道附近，”他说，指的是附近的赛车赛道。“我们寻找技术技能和机械背景。”

他说，工厂的其他团队正在寻找拥有材料科学、化学或工程学位的员工。GlobalFoundries 提供学徒制，为没有学位的员工提供两年的在职培训，并与社区学院合作，帮助设计与芯片相关的课程。

贝尔菲本人在大学期间主要学习软件和计算机科学，但更喜欢建造东西，他在指导学生参加机器人团队比赛时为了好玩而这样做。

“我更受设备驱动，喜欢用手工作，”他说。


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