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半導體是幾乎所有現代電子設備的重要組成部分，絕大多數半導體都是在臺灣制造的。人們越來越擔心半導體對臺灣的依賴——尤其是考慮到臺灣與中國大陸之間的脆弱關系——導致美國國會于 2022 年 7 月下旬通過了 CHIPS 和科學法案。該法案提供了超過 500 億美元的補貼來推動美國半導體的發(fā)展生產并被廣泛報道在新聞中。研究半導體的電氣工程師Trevor Thornton解釋了這些設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，是大多數半導體芯片的起點。Hebbe/維基共享資源1、什么是半導體？一般而言，半導體一詞指的是一種材料（如硅），其導電性能比玻璃等絕緣體好得多，但不如銅或鋁等金屬。但是今天當人們談論半導體時，通常指的是半導體芯片。這些芯片通常由硅薄片制成，復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（稱為晶體管）控制電流流動，其方式與您通過撥動開關打開電燈來控制家中電流的方式大致相同。你的房子和半導體芯片之間的區(qū)別在于，半導體開關完全是電氣的——沒有機械部件可以翻轉——而且芯片包含數百億個開關，面積不比指甲大多少。2. 半導體有什么作用？半導體是電子設備處理、存儲和接收信息的方式。例如，存儲芯片將數據和軟件存儲為二進制代碼，數字芯片根據軟件指令處理數據，無線芯片從高頻無線電發(fā)射器接收數據并將其轉換為電信號。這些不同的芯片在軟件的控制下協(xié)同工作。不同的軟件應用程序執(zhí)行非常不同的任務，但它們都通過切換控制電流的晶體管來工作。
這張半導體芯片示意圖顯示了許多不同顏色的不同材料，以及生產現代芯片所涉及的復雜分層。Cepheiden/維基共享資源，CC BY3. 如何構建半導體芯片？絕大多數半導體的起點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，以提高芯片的導電性。正是在這個表面層中制作了晶體管開關。這些晶體管是通過在整個晶圓上添加導電金屬、絕緣體和更多硅的薄層，使用稱為光刻的復雜工藝在這些層上勾勒出圖案，然后使用計算機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構。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行數十次沉積、圖案化和蝕刻，半導體制造商可以制造出每平方英寸具有數百億個晶體管的芯片。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芯片晶體管數量的增加。半導體芯片最早的商業(yè)應用之一是袖珍計算器，它在 1970 年代開始廣泛使用。這些早期的芯片包含幾千個晶體管。1989 年，英特爾推出了第一個在單個芯片上超過一百萬個晶體管的半導體。今天，最大的芯片包含超過 500 億個晶體管。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量大約每 18 個月翻一番。
摩爾定律已經持續(xù)了五年。但近年來，半導體行業(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量，現在已得到廣泛使用，但它們的制造難度也大得多。5. 更復雜的芯片是否需要更精密的工廠？簡單地說，是的，芯片越復雜，工廠就越復雜——成本也更高。曾經有一段時間，幾乎每家美國半導體公司都建立并維護自己的工廠。但是今天，建造一個新的代工廠可能要花費超過 100 億美元。只有最大的公司才能負擔得起這種投資。相反，大多數半導體公司將他們的設計發(fā)送給獨立的代工廠進行制造。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例子。他們擁有專業(yè)知識和規(guī)模經濟，可以投資于生產下一代半導體所需的極其昂貴的技術。具有諷刺意味的是，雖然晶體管和半導體芯片是在美國發(fā)明的，但目前在美國本土還沒有最先進的半導體代工廠。美國曾在 1980 年代出現過，當時人們擔心日本會主導全球存儲器業(yè)務。但隨著新通過的 CHIPS 法案，國會為在美國制造下一代半導體提供了激勵和機會也許你的下一代 iPhone 中的芯片將“由 Apple 在加利福尼亞州設計，在美國制造”。
薄而圓的硅晶體切片，稱為晶圓，是大多數半導體芯片的起點。Hebbe/維基共享資源1、什么是半導體？一般而言，半導體一詞指的是一種材料（如硅），其導電性能比玻璃等絕緣體好得多，但不如銅或鋁等金屬。但是今天當人們談論半導體時，通常指的是半導體芯片。這些芯片通常由硅薄片制成，復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（稱為晶體管）控制電流流動，其方式與您通過撥動開關打開電燈來控制家中電流的方式大致相同。你的房子和半導體芯片之間的區(qū)別在于，半導體開關完全是電氣的——沒有機械部件可以翻轉——而且芯片包含數百億個開關，面積不比指甲大多少。2. 半導體有什么作用？半導體是電子設備處理、存儲和接收信息的方式。例如，存儲芯片將數據和軟件存儲為二進制代碼，數字芯片根據軟件指令處理數據，無線芯片從高頻無線電發(fā)射器接收數據并將其轉換為電信號。這些不同的芯片在軟件的控制下協(xié)同工作。不同的軟件應用程序執(zhí)行非常不同的任務，但它們都通過切換控制電流的晶體管來工作。這張半導體芯片示意圖顯示了許多不同顏色的不同材料，以及生產現代芯片所涉及的復雜分層。Cepheiden/維基共享資源，CC BY3. 如何構建半導體芯片？絕大多數半導體的起點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，以提高芯片的導電性。正是在這個表面層中制作了晶體管開關。這些晶體管是通過在整個晶圓上添加導電金屬、絕緣體和更多硅的薄層，使用稱為光刻的復雜工藝在這些層上勾勒出圖案，然后使用計算機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構。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行數十次沉積、圖案化和蝕刻，半導體制造商可以制造出每平方英寸具有數百億個晶體管的芯片。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芯片晶體管數量的增加。半導體芯片最早的商業(yè)應用之一是袖珍計算器，它在 1970 年代開始廣泛使用。這些早期的芯片包含幾千個晶體管。1989 年，英特爾推出了第一個在單個芯片上超過一百萬個晶體管的半導體。今天，最大的芯片包含超過 500 億個晶體管。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量大約每 18 個月翻一番。摩爾定律已經持續(xù)了五年。但近年來，半導體行業(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量，現在已得到廣泛使用，但它們的制造難度也大得多。5. 更復雜的芯片是否需要更精密的工廠？簡單地說，是的，芯片越復雜，工廠就越復雜——成本也更高。曾經有一段時間，幾乎每家美國半導體公司都建立并維護自己的工廠。但是今天，建造一個新的代工廠可能要花費超過 100 億美元。只有最大的公司才能負擔得起這種投資。相反，大多數半導體公司將他們的設計發(fā)送給獨立的代工廠進行制造。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例子。他們擁有專業(yè)知識和規(guī)模經濟，可以投資于生產下一代半導體所需的極其昂貴的技術。具有諷刺意味的是，雖然晶體管和半導體芯片是在美國發(fā)明的，但目前在美國本土還沒有最先進的半導體代工廠。美國曾在 1980 年代出現過，當時人們擔心日本會主導全球存儲器業(yè)務。但隨著新通過的 CHIPS 法案，國會為在美國制造下一代半導體提供了激勵和機會也許你的下一代 iPhone 中的芯片將“由 Apple 在加利福尼亞州設計，在美國制造”。
