英特尔如何在全球短缺的情况下制造半导体

有些具有超过 500 亿个微型晶体管,比人类头发的宽度小 10,000 倍。 它们是在巨大的、超洁净的工厂车间地板上制造的 七层楼高,有四个足球场那么长。

微芯片在许多方面都是现代经济的命脉。 它们为计算机、智能手机、汽车、电器和许多其他电子产品提供动力。 但自大流行以来,世界对它们的需求激增,这也导致供应链中断,导致全球短缺。

这反过来又助长了通货膨胀,并引发了人们对美国变得过于依赖国外芯片的警告。 美国仅占全球半导体制造能力的 12% 左右; 最先进的芯片90%以上来自台湾。

英特尔是一家硅谷巨头,正在寻求恢复其在芯片制造技术方面的长期领先地位,它正在下注 200 亿美元,以帮助缓解芯片短缺。 它正在其位于亚利桑那州钱德勒的芯片制造厂建设两座工厂,这将需要三年时间才能完成,并且最近宣布了可能进行更大扩张的计划,在俄亥俄州新奥尔巴尼和德国马格德堡开设新工厂。

为什么制造数以百万计的这些微小组件意味着建造和花费如此之大? 看看位于俄勒冈州钱德勒和希尔斯伯勒的英特尔生产工厂,可以找到一些答案。

芯片有什么作用

芯片或集成电路在 1950 年代后期开始取代庞大的单个晶体管。 许多这些微小的组件是在一块硅上生产的,并连接在一起工作。 由此产生的芯片存储数据、放大无线电信号并执行其他操作; 英特尔以各种称为微处理器的产品而闻名,这些微处理器执行计算机的大部分计算功能。

英特尔已设法将其微处理器上的晶体管缩小到令人难以置信的尺寸。 但竞争对手台积电可以制造更小的组件,这是苹果选择它为其最新款 iPhone 制造芯片的关键原因。

一家总部设在台湾的公司取得这样的胜利,中国声称这是一个岛屿,这增加了技术差距不断扩大的迹象,这可能会使计算、消费设备和军事硬件的进步面临中国的野心和台湾的自然威胁的风险,例如如地震和干旱。 它也让英特尔重新夺回技术领先地位的努力成为焦点。

芯片是如何制造的

芯片制造商正在将越来越多的晶体管封装到每块硅片上,这就是技术每年做得更多的原因。 这也是新芯片工厂耗资数十亿美元而能够负担得起建造它们的公司越来越少的原因。

除了支付建筑和机械费用外,公司还必须花费大量资金来开发用于从板级硅晶圆制造芯片的复杂工艺步骤——这就是为什么这些工厂被称为“晶圆厂”的原因。

巨大的机器在每个晶圆上投射芯片设计,然后沉积和蚀刻材料层以创建晶体管并将它们连接起来。 在自动高架轨道上的特殊吊舱中,一次最多可以有 25 个晶圆在这些系统之间移动。

处理一个晶圆需要数千个步骤,最多需要两个月。 台积电近年来已经确定了产量的步伐,运营着拥有四条或更多生产线的“gigafabs”工厂。 市场研究公司 TechInsights 的副主席 Dan Hutcheson 估计,每个站点每月可以处理超过 100,000 片晶圆。 他将英特尔在亚利桑那州的两个计划价值 100 亿美元的设施的产能估计为每个月大约 40,000 片晶圆。

芯片是如何封装的

处理后,晶圆被切割成单独的芯片。 这些经过测试并包裹在塑料包装中,以将它们连接到电路板或系统的一部分。

这一步已经成为一个新的战场,因为将晶体管做得更小更加困难。 公司现在正在堆叠多个芯片或将它们并排放置在一个封装中,将它们连接起来作为一个单一的硅片。

将少量芯片封装在一起现在已成为惯例,英特尔开发了一款先进产品,该产品使用新技术捆绑了 47 种不同寻常的独立芯片,其中一些芯片由台积电和其他公司制造,也包括在英特尔晶圆厂生产的芯片。

是什么让芯片工厂与众不同

英特尔芯片通常每个售价数百到数千美元。 例如,英特尔在 3 月发布了其最快的台式电脑微处理器,起价为 739 美元。 一块肉眼看不见的灰尘可以毁掉一个人。 因此,晶圆厂必须比医院手术室更清洁,并且需要复杂的系统来过滤空气并调节温度和湿度。

晶圆厂还必须不受任何振动的影响,振动会导致昂贵的设备发生故障。 所以工厂的洁净室建在巨大的混凝土板上,上面有特殊的减震器。

同样重要的是移动大量液体和气体的能力。 英特尔工厂的顶层高约 70 英尺,装有巨大的风扇,帮助将空气循环到正下方的洁净室。 洁净室下方是数以千计的泵、变压器、电源柜、公用管道和连接到生产机器的冷却器。

对水的需求

晶圆厂是耗水量大的作业。 这是因为在生产过程的许多阶段都需要水来清洁晶圆。

英特尔在钱德勒的两个站点每天从当地公用事业公司总共抽取约 1100 万加仑的水。 英特尔未来的扩张将需要更多,这对于像亚利桑那州这样饱受干旱困扰的州来说似乎是一个挑战,该州已经削减了对农民的用水分配。 但农业实际上比薯片厂消耗更多的水。

英特尔表示,其 Chandler 站点依赖于三条河流和一个水井系统的供应,通过过滤系统、沉淀池和其他设备回收了大约 82% 的淡水。 这些水被送回城市,该城市运营英特尔资助的处理设施,并将其重新分配用于灌溉和其他非饮用用途。

英特尔希望到 2030 年帮助提高亚利桑那州和其他州的供水,与环保组织和其他人合作开展项目,为当地社区节约和恢复水资源。

晶圆厂是如何建造的

为了建造未来的工厂,英特尔将需要大约 5,000 名熟练的建筑工人,为期三年。

他们有很多事情要做。 英特尔的建筑主管丹·多伦 (Dan Doron) 说,挖掘地基预计将清除 890,000 立方码的泥土,这些泥土以每分钟一辆自卸卡车的速度运走。

该公司预计将浇筑超过 445,000 立方码的混凝土,并使用 100,000 吨钢筋来建造地基——这比建造世界上最高的建筑迪拜的哈利法塔还要多。

Doron 先生说,一些用于施工的起重机非常大,需要 100 多辆卡车才能将这些部件运来进行组装。 除其他外,这些起重机将为新晶圆厂吊装 55 吨冷水机。

一年前成为英特尔首席执行官的帕特里克·盖尔辛格(Patrick Gelsinger)正在游说国会为晶圆厂建设提供拨款,并为设备投资提供税收抵免。 为了管理英特尔的支出风险,他计划强调建造可以配备设备以应对市场变化的晶圆厂“外壳”。

为解决芯片短缺问题,盖尔辛格将不得不实施生产其他公司设计的芯片的计划。 但是一家公司只能做这么多; 手机和汽车等产品需要来自许多供应商的组件以及较旧的芯片。 也没有哪个国家可以在半导体领域独善其身。 尽管提振国内制造业可以在一定程度上降低供应风险,但芯片行业将继续依赖复杂的全球公司网络来获取原材料、生产设备、设计软件、人才和专业制造。

阿拉娜·赛莉制片的

分享

最新更新

重要新闻

相关文章