59802/16
半導(dǎo)體是幾乎所有現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部分，絕大多數(shù)半導(dǎo)體都是在臺灣制造的。人們越來越擔(dān)心半導(dǎo)體對臺灣的依賴——尤其是考慮到臺灣與中國大陸之間的脆弱關(guān)系——導(dǎo)致美國國會于 2022 年 7 月下旬通過了 CHIPS 和科學(xué)法案。該法案提供了超過 500 億美元的補(bǔ)貼來推動美國半導(dǎo)體的發(fā)展生產(chǎn)并被廣泛報(bào)道在新聞中。研究半導(dǎo)體的電氣工程師Trevor Thornton解釋了這些設(shè)備是什么以及它們是如何制造的。
薄而圓的硅晶體切片，稱為晶圓，是大多數(shù)半導(dǎo)體芯片的起點(diǎn)。Hebbe/維基共享資源1、什么是半導(dǎo)體？一般而言，半導(dǎo)體一詞指的是一種材料（如硅），其導(dǎo)電性能比玻璃等絕緣體好得多，但不如銅或鋁等金屬。但是今天當(dāng)人們談?wù)摪雽?dǎo)體時(shí)，通常指的是半導(dǎo)體芯片。這些芯片通常由硅薄片制成，復(fù)雜的組件以特定的模式布置在它們上面。這些模式使用電子開關(guān)（稱為晶體管）控制電流流動，其方式與您通過撥動開關(guān)打開電燈來控制家中電流的方式大致相同。你的房子和半導(dǎo)體芯片之間的區(qū)別在于，半導(dǎo)體開關(guān)完全是電氣的——沒有機(jī)械部件可以翻轉(zhuǎn)——而且芯片包含數(shù)百億個(gè)開關(guān)，面積不比指甲大多少。2. 半導(dǎo)體有什么作用？半導(dǎo)體是電子設(shè)備處理、存儲和接收信息的方式。例如，存儲芯片將數(shù)據(jù)和軟件存儲為二進(jìn)制代碼，數(shù)字芯片根據(jù)軟件指令處理數(shù)據(jù)，無線芯片從高頻無線電發(fā)射器接收數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為電信號。這些不同的芯片在軟件的控制下協(xié)同工作。不同的軟件應(yīng)用程序執(zhí)行非常不同的任務(wù)，但它們都通過切換控制電流的晶體管來工作。
這張半導(dǎo)體芯片示意圖顯示了許多不同顏色的不同材料，以及生產(chǎn)現(xiàn)代芯片所涉及的復(fù)雜分層。Cepheiden/維基共享資源，CC BY3. 如何構(gòu)建半導(dǎo)體芯片？絕大多數(shù)半導(dǎo)體的起點(diǎn)是稱為晶圓的硅薄片。今天的晶圓有餐盤那么大，由單晶硅切割而成。制造商在硅表面的薄層中添加磷和硼等元素，以提高芯片的導(dǎo)電性。正是在這個(gè)表面層中制作了晶體管開關(guān)。這些晶體管是通過在整個(gè)晶圓上添加導(dǎo)電金屬、絕緣體和更多硅的薄層，使用稱為光刻的復(fù)雜工藝在這些層上勾勒出圖案，然后使用計(jì)算機(jī)控制的高活性氣體等離子體選擇性地去除這些層來制造的具體的模式和結(jié)構(gòu)。由于晶體管非常小，因此在層中添加材料然后小心去除不需要的材料比將微細(xì)的金屬線或絕緣體直接放置在芯片上要容易得多。通過對不同材料層進(jìn)行數(shù)十次沉積、圖案化和蝕刻，半導(dǎo)體制造商可以制造出每平方英寸具有數(shù)百億個(gè)晶體管的芯片。4. 今天的芯片與早期的芯片有何不同？差異有很多，但最重要的可能是每個(gè)芯片晶體管數(shù)量的增加。半導(dǎo)體芯片最早的商業(yè)應(yīng)用之一是袖珍計(jì)算器，它在 1970 年代開始廣泛使用。這些早期的芯片包含幾千個(gè)晶體管。1989 年，英特爾推出了第一個(gè)在單個(gè)芯片上超過一百萬個(gè)晶體管的半導(dǎo)體。今天，最大的芯片包含超過 500 億個(gè)晶體管。這種趨勢由所謂的摩爾定律描述，該定律表明芯片上的晶體管數(shù)量大約每 18 個(gè)月翻一番。
摩爾定律已經(jīng)持續(xù)了五年。但近年來，半導(dǎo)體行業(yè)不得不克服重大挑戰(zhàn)——主要是如何繼續(xù)縮小晶體管的尺寸——以延續(xù)這種進(jìn)步的步伐。一種解決方案是從平坦的二維層切換到三維分層，并在表面上方突出硅的鰭狀脊。這些 3D 芯片顯著增加了芯片上的晶體管數(shù)量，現(xiàn)在已得到廣泛使用，但它們的制造難度也大得多。5. 更復(fù)雜的芯片是否需要更精密的工廠？簡單地說，是的，芯片越復(fù)雜，工廠就越復(fù)雜——成本也更高。曾經(jīng)有一段時(shí)間，幾乎每家美國半導(dǎo)體公司都建立并維護(hù)自己的工廠。但是今天，建造一個(gè)新的代工廠可能要花費(fèi)超過 100 億美元。只有最大的公司才能負(fù)擔(dān)得起這種投資。相反，大多數(shù)半導(dǎo)體公司將他們的設(shè)計(jì)發(fā)送給獨(dú)立的代工廠進(jìn)行制造。臺積電和總部位于紐約的 GlobalFoundries 是為其他公司制造芯片的跨國代工廠的兩個(gè)例子。他們擁有專業(yè)知識和規(guī)模經(jīng)濟(jì)，可以投資于生產(chǎn)下一代半導(dǎo)體所需的極其昂貴的技術(shù)。具有諷刺意味的是，雖然晶體管和半導(dǎo)體芯片是在美國發(fā)明的，但目前在美國本土還沒有最先進(jìn)的半導(dǎo)體代工廠。美國曾在 1980 年代出現(xiàn)過，當(dāng)時(shí)人們擔(dān)心日本會主導(dǎo)全球存儲器業(yè)務(wù)。但隨著新通過的 CHIPS 法案，國會為在美國制造下一代半導(dǎo)體提供了激勵(lì)和機(jī)會也許你的下一代 iPhone 中的芯片將“由 Apple 在加利福尼亞州設(shè)計(jì)，在美國制造”。
薄而圓的硅晶體切片，稱為晶圓，是大多數(shù)半導(dǎo)體芯片的起點(diǎn)。Hebbe/維基共享資源1、什么是半導(dǎo)體？一般而言，半導(dǎo)體一詞指的是一種材料（如硅），其導(dǎo)電性能比玻璃等絕緣體好得多，但不如銅或鋁等金屬。但是今天當(dāng)人們談?wù)摪雽?dǎo)體時(shí)，通常指的是半導(dǎo)體芯片。這些芯片通常由硅薄片制成，復(fù)雜的組件以特定的模式布置在它們上面。這些模式使用電子開關(guān)（稱為晶體管）控制電流流動，其方式與您通過撥動開關(guān)打開電燈來控制家中電流的方式大致相同。你的房子和半導(dǎo)體芯片之間的區(qū)別在于，半導(dǎo)體開關(guān)完全是電氣的——沒有機(jī)械部件可以翻轉(zhuǎn)——而且芯片包含數(shù)百億個(gè)開關(guān)，面積不比指甲大多少。2. 半導(dǎo)體有什么作用？半導(dǎo)體是電子設(shè)備處理、存儲和接收信息的方式。例如，存儲芯片將數(shù)據(jù)和軟件存儲為二進(jìn)制代碼，數(shù)字芯片根據(jù)軟件指令處理數(shù)據(jù)，無線芯片從高頻無線電發(fā)射器接收數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為電信號。這些不同的芯片在軟件的控制下協(xié)同工作。不同的軟件應(yīng)用程序執(zhí)行非常不同的任務(wù)，但它們都通過切換控制電流的晶體管來工作。這張半導(dǎo)體芯片示意圖顯示了許多不同顏色的不同材料，以及生產(chǎn)現(xiàn)代芯片所涉及的復(fù)雜分層。Cepheiden/維基共享資源，CC BY3. 如何構(gòu)建半導(dǎo)體芯片？絕大多數(shù)半導(dǎo)體的起點(diǎn)是稱為晶圓的硅薄片。今天的晶圓有餐盤那么大，由單晶硅切割而成。制造商在硅表面的薄層中添加磷和硼等元素，以提高芯片的導(dǎo)電性。正是在這個(gè)表面層中制作了晶體管開關(guān)。這些晶體管是通過在整個(gè)晶圓上添加導(dǎo)電金屬、絕緣體和更多硅的薄層，使用稱為光刻的復(fù)雜工藝在這些層上勾勒出圖案，然后使用計(jì)算機(jī)控制的高活性氣體等離子體選擇性地去除這些層來制造的具體的模式和結(jié)構(gòu)。由于晶體管非常小，因此在層中添加材料然后小心去除不需要的材料比將微細(xì)的金屬線或絕緣體直接放置在芯片上要容易得多。通過對不同材料層進(jìn)行數(shù)十次沉積、圖案化和蝕刻，半導(dǎo)體制造商可以制造出每平方英寸具有數(shù)百億個(gè)晶體管的芯片。4. 今天的芯片與早期的芯片有何不同？差異有很多，但最重要的可能是每個(gè)芯片晶體管數(shù)量的增加。半導(dǎo)體芯片最早的商業(yè)應(yīng)用之一是袖珍計(jì)算器，它在 1970 年代開始廣泛使用。這些早期的芯片包含幾千個(gè)晶體管。1989 年，英特爾推出了第一個(gè)在單個(gè)芯片上超過一百萬個(gè)晶體管的半導(dǎo)體。今天，最大的芯片包含超過 500 億個(gè)晶體管。這種趨勢由所謂的摩爾定律描述，該定律表明芯片上的晶體管數(shù)量大約每 18 個(gè)月翻一番。摩爾定律已經(jīng)持續(xù)了五年。但近年來，半導(dǎo)體行業(yè)不得不克服重大挑戰(zhàn)——主要是如何繼續(xù)縮小晶體管的尺寸——以延續(xù)這種進(jìn)步的步伐。一種解決方案是從平坦的二維層切換到三維分層，并在表面上方突出硅的鰭狀脊。這些 3D 芯片顯著增加了芯片上的晶體管數(shù)量，現(xiàn)在已得到廣泛使用，但它們的制造難度也大得多。5. 更復(fù)雜的芯片是否需要更精密的工廠？簡單地說，是的，芯片越復(fù)雜，工廠就越復(fù)雜——成本也更高。曾經(jīng)有一段時(shí)間，幾乎每家美國半導(dǎo)體公司都建立并維護(hù)自己的工廠。但是今天，建造一個(gè)新的代工廠可能要花費(fèi)超過 100 億美元。只有最大的公司才能負(fù)擔(dān)得起這種投資。相反，大多數(shù)半導(dǎo)體公司將他們的設(shè)計(jì)發(fā)送給獨(dú)立的代工廠進(jìn)行制造。臺積電和總部位于紐約的 GlobalFoundries 是為其他公司制造芯片的跨國代工廠的兩個(gè)例子。他們擁有專業(yè)知識和規(guī)模經(jīng)濟(jì)，可以投資于生產(chǎn)下一代半導(dǎo)體所需的極其昂貴的技術(shù)。具有諷刺意味的是，雖然晶體管和半導(dǎo)體芯片是在美國發(fā)明的，但目前在美國本土還沒有最先進(jìn)的半導(dǎo)體代工廠。美國曾在 1980 年代出現(xiàn)過，當(dāng)時(shí)人們擔(dān)心日本會主導(dǎo)全球存儲器業(yè)務(wù)。但隨著新通過的 CHIPS 法案，國會為在美國制造下一代半導(dǎo)體提供了激勵(lì)和機(jī)會也許你的下一代 iPhone 中的芯片將“由 Apple 在加利福尼亞州設(shè)計(jì)，在美國制造”。
