芯片之戰

安德魯·布魯姆 Kyle

一塊未經切割的12英寸晶圓，上面布滿了各類芯片。

1

芯片荒

“唯一的操作員是天花板上的機器人。”裹著杜邦特衛強防護服的克里斯·貝爾菲說。在安全燈光的照射下，他整個人被染成黃色。機器人從頭頂的軌道上飛馳而過，閃爍著發出呼呼聲，每隔幾秒，就有一個停在一架巨大的機器上面。接著，一個塑料密封盒從機器人洗衣籃大小的肚子里掉出來，落在一根細線上。盒子里裝著珍貴的貨物：25個閃閃發亮的硅晶圓。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。”格羅方德晶圓代工廠的自動化工程師貝爾菲說，“唯一的區別在于，我們的蛋糕有66層。”

格羅方德八號工廠的潔凈室容納了所有生產設備。

這座耗資150億美元的復合建筑位于紐約州奧爾巴尼市北部森林的隱蔽處，是美國少數幾個高端半導體加工廠或晶圓制造廠之一。它的接收區可以接管256種特用化學品，比如氬和硫酸。自裝貨區發走的晶圓成品，經切割和封裝后，會被組裝進從安全氣囊到攪拌機、從耳機到噴氣式戰斗機的任何東西。

芯片長期以來被尊為“現代社會的大腦”，如今卻成了最令人頭疼的問題。新冠疫情沖擊了全球半導體供應鏈，汽車行業所受打擊最重。預計在2021年，芯片短缺將造成全球汽車產量銳減390萬輛，僅福特一家就會減少110萬輛。而且，芯片短缺帶來的風險遠不止于此，因為它是再生能源、人工智能、機器人等一系列戰略性技術的關鍵組成部分，它的制造廠是地緣政治家們的必爭之地。芯片雖是美國的發明，但像格羅方德這樣的晶圓制造廠在美國已經不多。1990年，37%的芯片產自美國工廠，但到了2020年，這一數字已降至12%。

?芯片工藝

芯片是一種神奇的東西，能把數十億個晶體管塞進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。懸掛軌道式機器人會自動完成運輸工作。軌道下方有兩臺房車大小的機器，一臺借助研磨液拋光硅晶圓;另一臺利用光刻技術將只有12納米寬的電路轉印到晶圓上。12納米是什么概念？它相當于你指甲在12秒內長出的長度。之后，電子顯微鏡負責檢查晶圓是否存在缺陷，機械臂一次將25個晶圓浸入化學液體中清洗。“我們每天干的活基本上就是把晶圓在工廠各區域來回傳送。”貝爾菲說。工作人員只在發生故障時介入，比如每臺價值1億美元的光刻機，但凡它有點毛病，整個生產周期就會受到影響。“只要有一臺宕機，我們都會全員出動。”貝爾菲說。

晶圓代工廠是芯片產業的行話，指的是提供半導體制造服務的工廠，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，這些客戶轉而又向蘋果、三星等設備制造商或德國大陸馬牌、德國博世等工業集團提供組件。晶圓代工廠的交期很長，一顆芯片就得三個月。在格羅方德，某些生產環節每天加工的芯片種類不超過十種。每顆獨一無二的新芯片，其電路設計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印到晶圓上。掩膜版本身技術性極高，屬于商業機密，其設計公司享有知識產權，并根據格羅方德的生產工藝調整出獨有的規格。

行業分工

在半導體制造的早期階段20世紀60年代，英特爾公司創始人之一戈登·摩爾發現，每年他和同事們都能將芯片內的晶體管數量增加一倍。十年后，這一速度放緩至差不多每兩年。這被稱為“摩爾定律”，但它并非自然科學定律，而是人們為構思新的芯片設計并找到相應的制造方法，繼而對芯片研發投入巨大的人力物力所取得的成果，它來之不易。事實上，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部的最細線寬命名：在20世紀70年代，人們采用微米工藝生產芯片;從80年代開始，最前沿的晶圓廠用的就是納米工藝了。現下最先進的制程工藝為臺積電所有，它生產的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及相關設備。如今，建造一座最尖端的晶圓廠至少需要花費120億美元。

當下半導體行業主要分為兩類，一是被稱作“無晶圓廠”的芯片設計公司，二是制造芯片的晶圓代工廠。“在芯片產業，研發和設備都屬于必要支出。”彼得森國際經濟研究所的查德·鮑恩說。幾十年來，英特爾公司兩者兼備。美國超威公司在2009年把晶圓廠賣給了格羅方德，開始主做設計。

自動物料搬送系統負責運輸晶圓。

不過，重新定義芯片產業、開創芯片設計與制造分工模式的其實是臺積電。如今，這種模式主導了整個芯片行業。臺積電的創始人張忠謀在中國出生，在美國接受教育。20世紀六七十年代，張忠謀在“德州儀器”公司工作時便發現，芯片制造的成本不斷攀升，而這將阻礙芯片設計的創新。他的同事們渴望創新、自立門戶，但從未成功，因為在設計與制造尚未分工的彼時，芯片行業的準入門檻實在太高。1987年，張忠謀將他的“純晶圓代工廠”理念付諸實踐，創立了臺積電，專門提供芯片制造服務。

臺積電趕上了最好的發展時機。那時，里根政府出臺政策，以打壓日本日益增長的半導體產能。老布什政府則選擇不干涉半導體行業，他的經濟顧問邁克爾·博斯金曾說過一句名言：“薯片、芯片，有何區別？”與此同時，得益于政府補助，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能、建造晶圓廠。到了20世紀90年代，就連英特爾也開始將部分生產工作外包給了境外企業。

格羅方德紐約工廠內的化學生產線

2010年，蘋果發布了自主設計的A4芯片，該芯片由亞洲的一家代工廠生產。這尤其刺激到了英特爾，因為此前無論設計還是制造，一直是它的業務。但大勢所趨，這種分工模式逐漸成為標準，并持續到了現在：最精密復雜的芯片或許仍由美國公司設計，但一定在海外生產。

征途漫漫

如今，美國政府正在轉變路子，參議院6月通過的《美國創新和競爭法案》就是實例。美國將通過補貼半導體制造業，與中國展開競爭。拜登認為，發展半導體行業將激勵美國整個高科技產業。“芯片當屬基建。”4月，他在白宮手舉一塊閃閃發光的晶圓片說道。

然而，美國得用時數年才能擁有尖端半導體制造廠。英特爾新成立了代工服務事業部，并于3月宣布計劃投資200億美元來擴建亞利桑那州的工廠，專為其他公司生產芯片。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。芯片的導線線寬越細，意味著晶體管體積可以做得更小，能塞入的晶體管數量也就越多，如此，芯片的運行速度便會更快。英特爾仍在努力讓7納米芯片上市銷售，而臺積電已經突破5納米工藝節點，推出了3納米芯片且即將進入大批量生產。據報道，蘋果將再次成為它的主要客戶。不得不承認，英特爾要趕上臺積電仍有很長的路要走。

硅谷初創公司Cerebras推出新型計算機，用于人工智能領域最精密的研究，比如開發癌癥藥物和模擬聚變反應。該機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驗室在人工智能方面取得突破可謂大有裨益。

要是在上世紀六七十年代，你還能在硅谷找到一大批晶圓制造廠，但現在，為尖端芯片找到美國本土生產商可不容易。“制造尖端芯片有兩種選擇，”Cerebras首席執行官安德魯·費爾德曼看起來頗有預見性，“要么游到中國大陸去，要么就找臺積電和三星投石問路。”和蘋果一樣，Cerebras最終選擇了臺積電，采用了它的7納米制程。

芯片更新換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濟的波瀾。

[編譯自美國《時代周刊》]

編輯：要媛