为何芯片短缺越来越严重？

　　半导体短缺正在打击汽车制造商和科技巨头，从华盛顿到布鲁塞尔再到北京都敲响了警钟。危机给政策制定者、客户和投资者提出了一个基本问题：为什么我们不能制造更多的芯片？
　　有一个简单的答案，也有一个复杂的答案。简单的说法是，制造芯片非常困难，而且越来越难，难道令许多企业甚至国家绝望。
　　＂这不是火箭科学——它要困难得多。＂芯片行业的一个内部笑话如此解释道。
　　更复杂的答案是，建造半导体制造设施需要数年时间和数十亿美元以及大量的技术储备。即便如此，如果芯片公司的技术在竞争中落后哪怕是一小部分，都可能会导致出局。
　　这就是为什么各国在实现半导体自给自足方面面临如此困难的原因。中国在其最新的五年计划中将芯片独立称为国家的重中之重，而美国总统拜登则准备要通过振兴国内制造业来建立安全的美国供应链。甚至欧盟也在考虑采取措施制造自己的芯片。各国政府有多大的决心我们不清楚，但是我们知道想要成功确实是非常艰难的。
　　制造芯片通常需要三个多月的时间，涉及大型工厂、无尘室、价值数百万美元的机器、熔锡和激光。最终目标是将硅晶片（一种从普通沙子中提取的元素）转变为由数十亿个称为晶体管的微型开关组成的网络，这些开关构成了电路的基础，最终将构成手机、计算机、汽车、洗衣机或卫星的大脑。
　　芯片公司最重要的事情就是将更多的晶体管装入芯片中，以提高性能并尽量降低芯片的功耗。
　　2020发布的麒麟9000芯片内部集成的晶体管达到了惊人的153亿！可以想象在一个指甲盖大小的芯片上集成153亿个晶体管是多么困难的一件事。
　　2020发布的麒麟9000芯片
　　苛刻的环境
　　在将硅放入芯片制造机之前，需要一个异常干净的房间。单个晶体管比病毒小很多倍。仅仅一粒灰尘就会造成严重破坏和数百万美元的浪费。为了降低这种风险，芯片制造商将制造设备安置在几乎没有灰尘的房间里。
　　为了保持这种生产环境，空气需要持续净化，也几乎不允许任何人出现在这里。如果有超过一两个工人出现在芯片生产线上——从头到脚都裹着防护设备——这可能表明出现了问题。半导体设计和开发人员远在千里之外工作。
　　在美国纽约州马耳他GlobalFoundries半导体工厂的洁净室里，一名穿着防护装备的员工走过机器
　　即使采取了所有这些预防措施，硅晶片也不能被人类接触或暴露在空气中。必须放置于专业的设备之中。
　　变态的制造工艺
　　芯片由多达100层的材料组成。这些被沉积，然后部分去除，最后形成连接所有微小晶体管的复杂三维结构，其中一些层甚至只有一个原子那样薄。
　　该过程中最困难的部分之一是光刻，它由 ASML 制造的机器处理。该公司的齿轮使用光将图案燃烧到沉积在硅上的材料中。这些图案最终成为晶体管。这一切都发生在极小的规模上，目前该设备使用的主要是极紫外光（EUV光）。为了使设备正常运行，ASML 用激光脉冲加工熔化的锡滴。随着金属蒸发，它会发出所需的 EUV 光。但这还不够，需要镜子将光聚焦成更细的波长。这几乎代表了现代工艺极限。
　　高昂的制造成本
　　芯片厂每周 7 天、每天 24 小时运行。他们这样做有一个原因：成本。建造一家每月生产 50,000 片晶圆的入门级工厂的成本约为 150 亿美元。这对大部分公司来说都是无力承担的。
　　需求越来越庞大的市场
　　自 2015 年以来，用于芯片制造的设备销售额翻了一番
　　三家公司——英特尔、三星和台积电占了其中大部分市场份额。他们的工厂更先进，每个工厂的成本超过 200 亿美元。今年，台积电将在新工厂和设备上花费高达 280 亿美元。相比之下，美国政府试图通过一项支持国内芯片生产的法案。这项立法将在五年内提供 500 亿美元。
　　一旦你把所有的钱都花在建造巨型设施上，它们就会在五年或更短的时间内过时。为了避免亏损，芯片制造商必须从每家工厂获得 30 亿美元的利润。但现在只有处于行业顶尖的公司，才有足够的钱和先进的技术建造多个工厂。
　　高门槛与高收益产业
　　英特尔、三星和台积电 2020 年的收入几乎与之后的 12 家芯片制造商的总和一样多。
　　你做得越多，你就越好。产能是关键的衡量标准。如果这一指标低于 90% ，那么芯片公司将会非常危险。但芯片公司只有通过一遍又一遍地付出巨大的代价并建立在这些知识的基础上才能达到直至超越这一水平。
　　该行业的残酷经济意味着能够跟上步伐的公司越来越少。每年出货的手机处理器中，大部分是由台积电制造的。英特尔拥有 80% 的计算机处理器市场。三星在内存芯片领域占据主导地位。对于包括中国在内的其他所有国家来说，想要站稳立脚实在是不容易。