硬件 为何缺芯窟窿难补？工艺难、设备贵，市场竞争太残酷
如今，芯片半导体的短缺给世界各地的汽车制造商和科技巨头都敲响了警钟，这场危机向政策制定者、消费者和投资者提出了一个根本性的问题：为什么我们不能生产更多的芯片？外媒彭博社对这一问题进行了回答：制造芯片是很难的，而且还会越来越难 。
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在当地时间5月6日发布的深度报道中，彭博社对芯片制造技术的发展、芯片制造流程、建厂成本，以及芯片制造市场的竞争能力进行了拆解和分析 。
制造一个芯片通常要花三个多月的时间，需要巨大的工厂、无尘的车间，在价值数百万美元的机器上用熔化的锡和激光来操作 。最终，普通的硅晶片被转化成由数十亿个晶体管组成的集成电路组，为电话、电脑、汽车、洗衣机或卫星等设备赋予关键功能 。
事实上，建造半导体制造设施需要数年时间和数十亿美元的投资，而且拥有先进制造技术的公司才能拥有竞争优势 。英特尔公司前老板克雷格·巴雷特（Craig Barrett）就曾说过，英特尔的微处理器是人类有史以来制造的最复杂的设备 。
目前的芯片制造市场中，头部企业所占的市场份额越来越大，英特尔、三星和台积电三家芯片制造公司去年创收的金额共计达到1880亿美元，几乎占了2020全年各大芯片制造商收入总额的一半 。其他制造商要与他们竞争，正在变得越来越困难 。
这就是各国想要实现半导体自供应，却面临重重困难的原因 。目前，中国在新的五年计划中明确提到，要在2025年将芯片自给率提高至70%，而美国总统拜登（Joe Biden）则承诺要振兴国内制造业，来建立安全的美国供应链 。此外，欧盟也在考虑制造自己的芯片 。
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▲机械臂将硅片送入芯片制造机器
一、纳米级硅片上，集成数百亿个晶体管
大多数芯片的本质是运行软件、处理数据和控制电子设备功能的电路组，这些电路的排列赋予了它们特定的用途 。下面是英伟达（NVIDIA）在2020年推出的芯片GeForce RTX 3090，目前在将计算机代码转换为逼真的电子游戏画面这一领域，这款芯片的性能首屈一指 。
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▲英伟达的GeForce RTX 3090芯片
可以看到，这款芯片宽2.342厘米，长2.6829厘米，芯片面积是6.28平方厘米，在其上集成了283亿个晶体管 。芯片中包含五个关键部分，分别是NVLink接口、帧缓冲、输入/输出接口、L2与内存控制器，以及图形处理集群 。
芯片制造公司试图在芯片中封装更多的晶体管，以提高芯片的性能和设备的效率 。英特尔在1971年发布了第一款微处理器4004，它只有2300个晶体管，节点大小为10微米 。
接下来，从1993年的奔腾处理器、2001年的至强处理器，再到2006年的酷睿Core2 Duo处理器，英特尔领头突破了1微米和100纳米的技术节点，是当之无愧的行业领头羊 。
不过，芯片制造业并非一直是英特尔一枝独秀的场面，更多玩家加入了芯片设计和生产的行列 。2009年，由英伟达设计、台积电代工生产的GeForce GTX 275在55纳米的芯片上集成了超过10亿个晶体管；而在2013年，苹果设计、三星生产的A7芯片将10亿个晶体管封装在了仅仅28纳米的芯片中 。
在2015年至2020年间，台积电（TSMC）和三星开始生产节点只有5纳米的芯片，终结了英特尔长期以来遥遥领先的领导地位 。
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▲芯片制造技术发展历程
二、比手术室更干净的无尘制造房
单个晶体管的体积比病毒还小许多倍，所以一粒尘埃就会破坏芯片的制造过程，让价值几百万美元的努力付之东流 。为了避免这种风险，芯片制造工厂需要保持无尘的内部环境 。
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▲一级芯片制造无尘室与医院手术室空气中灰尘含量的比较
为了维持无尘的环境，工厂内的空气被不断过滤，工厂内部也很少允许人员进入 。如果有一两个身穿全套隔离服的工人出现在芯片生产线上，他们可能只是维护和修理人员，半导体设计和开发背后真正的天才们远在千里之外 。
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