一块未经切割的12英寸晶圆，上面布满了各类芯片。
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芯片荒
“唯一的操作员是天花板上的机器人。”裹着杜邦特卫强防护服的克里斯·贝尔菲说。在安全灯光的照射下，他整个人被染成黄色。机器人从头顶的轨道上飞驰而过，闪烁着发出呼呼声，每隔几秒，就有一个停在一架巨大的机器上面。接着，一个塑料密封盒从机器人洗衣篮大小的肚子里掉出来，落在一根细线上。盒子里装着珍贵的货物：25个闪闪发亮的硅晶圆。它们是芯片的基板，每個大小足有12英寸，把它们制成芯片或者说半导体大致需要三个月。“将晶管体装在硅晶圆上，我会用烤蛋糕来比喻这个过程。”格罗方德晶圆代工厂的自动化工程师贝尔菲说，“唯一的区别在于，我们的蛋糕有66层。”格罗方德八号工厂的洁净室容纳了所有生产设备。
这座耗资150亿美元的复合建筑位于纽约州奥尔巴尼市北部森林的隐蔽处，是美国少数几个高端半导体加工厂或晶圆制造厂之一。它的接收区可以接管256种特用化学品，比如氩和硫酸。自装货区发走的晶圆成品，经切割和封装后，会被组装进从安全气囊到搅拌机、从耳机到喷气式战斗机的任何东西。
芯片长期以来被尊为“现代社会的大脑”，如今却成了最令人头疼的问题。新冠疫情冲击了全球半导体供应链，汽车行业所受打击最重。预计在2021年，芯片短缺将造成全球汽车产量锐减390万辆，仅福特一家就会减少110万辆。而且，芯片短缺带来的风险远不止于此，因为它是再生能源、人工智能、机器人等一系列战略性技术的关键组成部分，它的制造厂是地缘政治家们的必争之地。芯片虽是美国的发明，但像格罗方德这样的晶圆制造厂在美国已经不多。1990年，37%的芯片产自美国工厂，但到了2020年，这一数字已降至12%。
?芯片工艺
芯片是一种神奇的东西，能把数十亿个晶体管塞进一枚硬币大小的空间里，其制造过程更是难度惊人。拿格罗方德来说，芯片从原料到成品通常需要85天，包含上千道工序，工程师把这个过程称为“芯片工艺”。整个流程中，硅晶圆一直待在前开式晶圆传送盒里，完全不与人接触。悬挂轨道式机器人会自动完成运输工作。轨道下方有两台房车大小的机器，一台借助研磨液抛光硅晶圆;另一台利用光刻技术将只有12纳米宽的电路转印到晶圆上。12纳米是什么概念？它相当于你指甲在12秒内长出的长度。之后，电子显微镜负责检查晶圆是否存在缺陷，机械臂一次将25个晶圆浸入化学液体中清洗。“我们每天干的活基本上就是把晶圆在工厂各区域来回传送。”贝尔菲说。工作人员只在发生故障时介入，比如每台价值1亿美元的光刻机，但凡它有点毛病，整个生产周期就会受到影响。“只要有一台宕机，我们都会全员出动。”贝尔菲说。
晶圆代工厂是芯片产业的行话，指的是提供半导体制造服务的工厂，比如价值1500亿美元的金考。单是格罗方德，就为250多家客户制造芯片，这些客户转而又向苹果、三星等设备制造商或德国大陆马牌、德国博世等工业集团提供组件。晶圆代工厂的交期很长，一颗芯片就得三个月。在格罗方德，某些生产环节每天加工的芯片种类不超过十种。每颗独一无二的新芯片，其电路设计都是在一块由石英玻璃作为衬底的掩膜版上完成的。通过激光刻蚀，掩膜版上的电路图案会转印到晶圆上。掩膜版本身技术性极高，属于商业机密，其设计公司享有知识产权，并根据格罗方德的生产工艺调整出独有的规格。
行业分工
在半导体制造的早期阶段20世纪60年代，英特尔公司创始人之一戈登·摩尔发现，每年他和同事们都能将芯片内的晶体管数量增加一倍。十年后，这一速度放缓至差不多每两年。这被称为“摩尔定律”，但它并非自然科学定律，而是人们为构思新的芯片设计并找到相应的制造方法，继而对芯片研发投入巨大的人力物力所取得的成果，它来之不易。事实上，每一代新芯片都需要一个新工厂来制造。每一种制程工艺都以芯片内部的最细线宽命名：在20世纪70年代，人们采用微米工艺生产芯片;从80年代开始，最前沿的晶圆厂用的就是纳米工艺了。现下最先进的制程工艺为台积电所有，它生产的5纳米芯片为苹果电脑最新款供货。芯片每一次缩小尺寸和提升性能，都需要晶圆厂配备最新一代的光刻机及相关设备。如今，建造一座最尖端的晶圆厂至少需要花费120亿美元。
当下半导体行业主要分为两类，一是被称作“无晶圆厂”的芯片设计公司，二是制造芯片的晶圆代工厂。“在芯片产业，研发和设备都属于必要支出。”彼得森国际经济研究所的查德·鲍恩说。几十年来，英特尔公司两者兼备。美国超威公司在2009年把晶圆厂卖给了格罗方德，开始主做设计。自动物料搬送系统负责运输晶圆。
不过，重新定义芯片产业、开创芯片设计与制造分工模式的其实是台积电。如今，这种模式主导了整个芯片行业。台积电的创始人张忠谋在中国出生，在美国接受教育。20世纪六七十年代，张忠谋在“德州仪器”公司工作时便发现，芯片制造的成本不断攀升，而这将阻碍芯片设计的创新。他的同事们渴望创新、自立门户，但从未成功，因为在设计与制造尚未分工的彼时，芯片行业的准入门槛实在太高。1987年，张忠谋将他的“纯晶圆代工厂”理念付诸实践，创立了台积电，专门提供芯片制造服务。
台积电赶上了最好的发展时机。那时，里根政府出台政策，以打压日本日益增长的半导体产能。老布什政府则选择不干涉半导体行业，他的经济顾问迈克尔·博斯金曾说过一句名言：“薯片、芯片，有何区别？”与此同时，得益于政府补助，韩国和中国大陆的公司同台积电一样，也在着手提升芯片产能、建造晶圆厂。到了20世纪90年代，就连英特尔也开始将部分生产工作外包给了境外企业。格罗方德纽约工厂内的化学生产线
2010年，苹果发布了自主设计的A4芯片，该芯片由亚洲的一家代工厂生产。这尤其刺激到了英特尔，因为此前无论设计还是制造，一直是它的业务。但大势所趋，这种分工模式逐渐成为标准，并持续到了现在：最精密复杂的芯片或许仍由美国公司设计，但一定在海外生产。
征途漫漫
如今，美国政府正在转变路子，参议院6月通过的《美国创新和竞争法案》就是实例。美国将通过补贴半导体制造业，与中国展开竞争。拜登认为，发展半导体行业将激励美国整个高科技产业。“芯片当属基建。”4月，他在白宮手举一块闪闪发光的晶圆片说道。
然而，美国得用时数年才能拥有尖端半导体制造厂。英特尔新成立了代工服务事业部，并于3月宣布计划投资200亿美元来扩建亚利桑那州的工厂，专为其他公司生产芯片。而台积电这边，也正在亚利桑那州建造一座耗资100亿～120亿美元的新工厂。与台积电不同，英特尔无法制造尖端芯片。芯片的导线线宽越细，意味着晶体管体积可以做得更小，能塞入的晶体管数量也就越多，如此，芯片的运行速度便会更快。英特尔仍在努力让7纳米芯片上市销售，而台积电已经突破5纳米工艺节点，推出了3纳米芯片且即将进入大批量生产。据报道，苹果将再次成为它的主要客户。不得不承认，英特尔要赶上台积电仍有很长的路要走。
硅谷初创公司Cerebras推出新型计算机，用于人工智能领域最精密的研究，比如开发癌症药物和模拟聚变反应。该机型的核心是像蛋糕一样大的“巨芯”二代，它包含上万亿个微小的晶体管，对葛兰素史克制药公司和阿贡国家实验室在人工智能方面取得突破可谓大有裨益。
要是在上世纪六七十年代，你还能在硅谷找到一大批晶圆制造厂，但现在，为尖端芯片找到美国本土生产商可不容易。“制造尖端芯片有两种选择，”Cerebras首席执行官安德鲁·费尔德曼看起来颇有预见性，“要么游到中国大陆去，要么就找台积电和三星投石问路。”和苹果一样，Cerebras最终选择了台积电，采用了它的7纳米制程。
芯片更新换代大概需要美国整整一代人的付出。在此之前，它仍会掀起地缘政治和经济的波澜。
[编译自美国《时代周刊》]
编辑：要媛
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