哇咔解说2024年10月13日发布:半导体芯片生产到底难在哪里？

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想制造一块先进的半导体芯片，需要掌握尖端的研发能力与制造工艺，同时也面临着巨额的资金投入与竞争激烈的市场环境。

简单介绍一下半导体、集成电路与芯片的关系。半导体>集成电路=芯片。半导体是集成电路的基础材料，集成电路是芯片的重要组成部分，芯片是集成电路得以应用的载体。如果把一碗米饭比喻成芯片，那么集成电路就是碗里的米饭，而半导体就是用于制作米饭的大米。

1958年9月12日，德州仪器(Texas Instruments, TI)一名工程师杰克·基尔比(Jack Kilby)成功实现了将电子器件集成在一块半导体材料上的构想。这一天，集成电路取代了晶体管，为开发电子产品的各种功能铺平了道路，并且大幅度降低了成本，使微处理器的出现成为了可能，开创了电子技术历史的新纪元。半导体产业大约在1960年开始，到1966年销售收入超过10亿美元。2022年，全球半导体芯片产业规模已达5740亿美元左右。但是世界上很少有公司能够制造半导体芯片，而能够盈利的公司就更少了。让我们通过了解半导体芯片行业及其制造过程来探究一下。

目前，全球半导体芯片行业由来自中国台湾、美国、韩国、中国大陆、日本和荷兰的公司主导，这些地区的半导体制造业拥有政府支持、发达的基础设施和相应的消费市场。半导体行业具备典型的分工协特点，即设计、研发和制造分布在世界各地的不同公司之间。比如台积电(TSMC)和格芯(Global Foundries)，以及大陆的中芯国际这样的代工企业只参与制造。而像超威(AMD)、英伟达(NVIDIA)这样的无晶圆厂芯片企业将生产外包给代工企业制造，自己只负责设计研发。集成设备制造商(Integrated Device Manufactures, IDM)如英特尔和三星，自身设计、研发、制造和销售各种集成电路产品。

通过上面的表格也可以看出来，虽然半导体芯片无处不在，我们的工业生产、日常生活也完全离不开它，但只有少数公司和国家掌握设计和制造半导体芯片的技术能力。于是，我们不禁疑问，为什么与其他行业不同，半导体芯片制造行业会出现如此明显的垄断？为了回答这些问题，我们来看看为什么半导体芯片制造如此困难。

极其小和复杂——我们知道，芯片内部主要是由晶体管组成。在给定的尺寸下，一个芯片能容纳的晶体管越多，通常就越被认为是好的。相比之下，1971年英特尔公司生产的第一代微处理器的晶体管尺寸为百万分之一米，即10微米。到目前为止，微处理器芯片技术已经发展到纳米(nm)，即一米的十亿分之一。目前，大众市场产品的芯片制造工艺为4纳米。未来，这将进一步缩小到2纳米甚至1.4纳米。当芯片制造在纳米尺度上完成时，很容易想象其中的复杂性。 最干净的空间——即使是最小的尘埃或其他污染物也能破坏一整批正在制造的半导体芯片。这将导致数百万美元的损失。这就是为什么芯片制造是在最干净的房间里完成的。它本质上是一个密闭的环境，新鲜空气只能通过专门的过滤器泵送，即使是最小的碎片。大多数流程都是自动化的，几乎没有人为干扰。 原子级制造——为了在一个小空间内安装数百万个晶体管，需要沉积和抛光几层材料以创建高度复杂的三维结构。这些层可以薄到一个原子大小。专门的机器利用压力、温度、电场和磁场，在芯片内部制造出如此微小的层和3D结构。最复杂的工艺之一是光刻，其中光被用来在层中制作图案。 巨大的资本投资和快速发展的技术——开办一家芯片制造工厂需要数十亿美元。最重要的是，一个人必须确保设置仍然有利可图。芯片制造商必须不断改进产品和技术，否则就有被淘汰的风险。由于高昂的资本投入、极其严峻的挑战以及芯片制造技术的快速发展，没有多少企业家敢冒险进入芯片制造领域。

由此可知，芯片制造的门槛还是非常高的，在极高的技术壁垒下，也同样面临着高昂的资金成本与竞争激烈的市场环境，所以全世界目前只有少数几家公司掌握先进芯片的设计及制造能力。

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