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转载：最近一两年，芯片短缺问题显得越来越严重，畀日益依赖芯片嘅众多行业造成打击。对此外行人可能跟会好疑惑，既然短缺，多造点唔就得吗？殊唔知，呢系一个超级复杂、超级费钱、超级容易过时嘅行当，唔系边个都可以玩得起嘅。彭博社嘅一篇文章对芯片制造嘅过程和所需要嘅成本进行剖析，睇完你就会知道，点解做芯片难于上青天嘎啦。原文作者Ian King、Adrian Leung同Demetrios Pogkas。标题是：The Chip Shortage Keeps Getting Worse. Why Can’t We Just Make More?
划重点：
芯片是那么嘅小，又那么嘅复杂
芯片短缺是因为造芯片好难，而且越来越难
造芯片难喺建厂好耗钱，用时长，过时快
半导体短缺正喺度畀汽车制造商和科技巨头造成打击，从华盛顿到布鲁塞尔再到北京，都对此敲响警钟。芯片紧缺畀政策制定者，客户和投资者提出一个基本嘅问题：点解我哋就唔可以多制造一啲芯片呢？
呢个问题有两个答案，一个简单，一个复杂。简单版是制造芯片非常困难，而且越来越难。
“芯片唔系火箭科学，佢嘅难度高多嘎啦，”业内嘅笑话是咁调侃嘅。
复杂版嘅答案是，半导体制造设施嘅建设要花费几年时间，数十亿美元，而且即便等你建好嘎啦，由于经济性太过残酷，如果你嘅制造知识落后于竞争对手嘅话，也可能会遭遇失败。英特尔嘅前老板克雷格·巴雷特（Craig Barrett）曾经将自己公司嘅微处理器称为是人类制造过嘅最复杂嘅设备。
点解各国喺实现半导体自畀自足方面会面临咁大嘅困难？噉就是原因所喺。
芯片嘅制造往往需要三个多月嘅时间，涉及到大型工厂，无尘车间，数百万美元嘅机器，锡液以及激光。最终目标是将硅（一种从普通沙子入面提取出来嘅元素）片变成数十亿个微小开关（晶体管）组成嘅网络，呢啲开关将是电路嘅基础，最终赋予手机、计算机、汽车、洗衣机或卫星关键能力。
那么嘅小，又那么嘅复杂
大多数芯片都系跑软件、操纵数据以及控制电子设备功能嘅电路组。嗰啲电路嘅布局都系为服务于特定用途。下图是Nvidia嘅GeForce RTX 3090，目前是将计算机代码转换为逼真嘅视频游戏图形嘅最佳选择。
Nvidia嘅GeForce RTX 3090，资料来源：Nvidia
Nvidia嘅GeForce RTX 3090
6.28 cm²（2.342 厘米x2.6829厘米）嘅地方布置283亿个晶体管
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NVLink接口（NVLink interface）
用来喺中央处理器（CPU）同图形处理器（GPU）之间以及喺GPU之间传输数据
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图形处理集群（Graphic processing cluster）
包含大多数GPU核心图形功能（如计算视频游戏入面对象嘅阴影同纹理）嘅逻辑电路集群
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帧缓冲器
用于存储信息（变成显示器上嘅图像）嘅内存区域。
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L2和内存控制器
芯片会将数据存放到这里，共快速访问和处理。
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输入/输出，显示及视频
芯片嘅呢一部分是用来跟计算机嘅第啲部分通信嘅。
芯片公司设法将更多嘅晶体管封装到芯片入面，好提高性能以及提高设备嘅电源效率。1971年，英特尔推出第一款微处理器4004，入面仅包含2300个晶体管，每个嘅尺寸为10微米，也就是十万分之一米。喺接下来几十年嘅时间里，英特尔一直处于无可争议嘅领导地位，但到2015年至2020年间，英特尔被赶下王座，因为竞争对手台积电和三星电子制造出有住更好嘅晶体管嘅芯片：呢啲晶体管嘅尺寸最小只有5纳米，也就是50亿分之一米（相比之下，人嘅头发平均宽度是100000纳米。）
芯片嘅设计商同制造商，资料来源：公司同行业报告，Our World Data
比手术室还要洁净
喺将硅放进芯片制造机器之前，你需要一间无尘室。一间非常干净嘅房间。单个晶体管比病毒小好多倍。仅有一小点灰尘会造成严重破坏，并浪费数百万美元嘅精力。为减轻呢种风险，芯片制造商将其机器安置喺基本上没有灰尘嘅房间中。
资料来源：ASML
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Class 1芯片制造洁净室嘅标准是每立方米少于10微粒
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医院手术室嘅标准是少于10000微粒
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每微粒大小均小于200纳米（十亿分之一米）
为维持呢种环境，空气要唔断过滤，而且只允许好少嘅人进入。如果喺芯片生产线上出现一两个以上嘅工人（从头到脚都被防护设备包裹住）嘅话，则说明可能出问题嘎啦。半导体设计和开发背后真正嘅天才其实系喺好远嘅地方工作嘅。
身穿防护服嘅员工走喺GlobalFoundries位于纽约州马耳他嘅一家半导体工厂嘅洁净室内
就算采取所有呢啲防范措施，人也唔可以触摸硅片，也唔可以让佢暴露喺空气中。硅片得装进套筒入面，由悬挂喺天花板嘅机器人负责运送。当佢们被放进机器内部时，先从套筒嘅安全装置弹出，然后接下来就进入到流程嘅关键步骤嘎啦。
悬挂喺天花板嘅机器人
原子级嘅制造
芯片由多达100层嘅材料组成。要先堆积，然后部分去除，从而形成将所有晶体管连接起来嘅复杂三维结构。有啲层嘅厚度只有一个原子。由应用材料、泛林集团以及东京电子制造嘅机器需要处理好多嘅变量，比方说温度、压力以及电场同磁场，之后才能将嘢做出来。
光刻是成个过程最困难嘅部分之一，呢一环节需要由阿斯麦（ASML Holding NV）制造嘅机器来处理。呢间公司嘅设备会将掩模版上嘅图形转移到涂有光致抗蚀剂(或称光刻胶)嘅硅片上，然后通过一系列生产步骤将硅片表面薄膜嘅特定部分除去。而呢啲图形最终将变成晶体管。呢一切都系喺好小嘅尺度上进行嘅，目前有效嘅方法是利用通常只有喺太空中才会自然产生嘅极紫外光。为喺可控嘅环境下反复生成呢种光，ASML用激光脉冲照射锡液。当呢种金属挥发时，就会发出所需嘅EUV光。但是，呢仲未够。仲系要要用镜片将呢种光聚焦成更细嘅波长。
资料来源：波士顿咨询集团，半导体行业协会，Gartner
光刻机前端嘅设备就有59种以上，后端也有8种类型嘅设备。
光刻嘅流程
1、氧化和喷涂（Oxidation and coating）
绝缘和导电材料层被喷涂到硅片表面。然后用光刻胶材料涂层均匀覆盖到晶片上。（自下而上为硅衬底、氮化硅、二氧化硅、光刻胶）
2、光刻（Lithography）
设计好嘅集成电路图案被投射到一块玻璃板上（光罩）。极紫光再透过光罩将团打到硅基板上面嘅光刻胶层。暴露部分再用化学方式移除掉。
3、显影同烘干（Development and bake）
对晶圆片显影，将光刻胶未曝光区域去除，然后烘干，让可溶解嘅化学物质挥发掉。
4、刻蚀（Etching）
用气体或化学物质将晶圆片未受光刻胶保护嘅部分去除。
5、掺杂（Doping）
将含有硼或砷嘅离子束摄到敷有光刻胶掩膜嘅晶圆上。有光刻胶掩盖嘅部分，离子束无办法穿透光刻胶而被阻挡开来；没有掩盖嘅部分，离子束会被注入到衬底上，实现掺杂。形成嘅新层嘅导电属性会被改变。
6、金属沉积同刻蚀（Metal deposition and etching）
采用类似过程布置一层晶体管间嘅金属连接
步骤1—5要应用唔同嘅化学物质重复数百次，从而制造出更多嘅层，具体嘅层数取决于想要乜嘢样嘅电路特性。
8、成品嘅晶圆（Completed wafer）
每一块晶圆成品包含数百个一模一样嘅集成电路。成品会被拿去进行组装、封装、测试，其中包括将晶圆切割成独立嘅芯片。
沉重嘅经济
芯片厂一周7天，每天24个钟头都要唔间断运行。之所以要咁样是因为：成本。建设一家入门级嘅工厂（每月生产5万片晶圆）嘅成本约为150亿美元。其中大部分都花喺专用设备上——2020年呢一市场嘅销售额首次突破600亿美元。
沉重负担
自2015年以来，用于芯片制造嘅设备嘅销售额已经翻一番。
全球晶圆厂设备市场，资料来源：SEMI
这方面嘅投资大部分都来自英特尔，三星和台积电这三家公司。这几家公司嘅工厂更为先进，每一家工厂嘅成本都超过200亿美元。台积电今年喺新工厂和设备上嘅投入将高达280亿美元。作为比较，可以睇睇美国政府试图要通过嘅一项支持芯片国产嘅法案。这项法案只是承诺喺五年内提供500亿美元。
而且就算抌钱将大型设施造好嘎啦，呢啲嘢喺五年或更短嘅时间之内就会过时。为避免亏损，每家工厂必须畀芯片制造商贡献30亿美元嘅利润。但是从目前来睇，只有最大型嘅公司，尤其系合计创造1880亿美元收入嘅前三强，先有能力多建几家工厂。
大鱼产业
英特尔，三星和台积电喺2020年嘅创收几乎相当于其余12家最大芯片制造商嘅总和。
注：三星和索尼嘅数据仅包括其芯片制造业务。资料来源：彭博社汇编嘅企业数据；IDC
芯片制造呢件事是熟能生巧，做得越多越擅长。其关键指标是成品率（未被废弃嘅芯片所占百分比）。低于90％就有问题。但是，芯片制造商只能通过一遍又一遍地花高价钱买教训，并喺学到嘅知识嘅基础上慢慢去超越自我。
呢个行业咁残酷嘅经济性，导致没几家公司可以负担得起。智能手机每年嘅出货量大概是14亿部，其中嘅处理器大多数都系由台积电生产嘅。英特尔占据80％嘅计算机处理器市场。而三星喺存储芯片市场处喺主导地位。对于任何第啲人嚟讲，要想闯入呢个市场都唔系简单嘅事。
译者：boxi
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