晶片短缺成了全世界各行各業的頭疼事。但由於原子級別的製造工藝、比手術室更乾淨的潔淨空間以及動輒價值幾百萬美元的製造設備，使得晶片增產極其困難。每個晶片製造工廠要貢獻出30億美元的利潤才能避免出現虧損，全行業只有總收入達到1880億美元的英特爾、三星以及台積電三家公司有能力建設更多工廠。
晶片短缺問題重創了汽車製造商和科技巨頭，給全世界各行各業敲響了警鐘。這場晶片危機帶來了一個基本問題：為什麼無法生產足量的晶片?
答案即簡單又複雜。簡而言之，製造晶片極其困難，而且越來越難。
晶片行業有種說法頗有調侃意味，「晶片不是造火箭，但比起造火箭難得多。」
往複雜了說，建設能造晶片的設施不僅需要數年時間，動輒還要幾十億美元。對於行內企業來說，即便花得起錢和時間，如果製造技術趕不上競爭對手，也會失去優勢。英特爾前總裁克雷格·巴雷特(Craig Barrett)就說，公司製造的晶片是人類有史以來製造的最複雜設備。
全世界都在考慮自行製造晶片，但成功並非十拿九穩。
造出一款晶片通常需要三個多月的時間，要有大型工廠、完全無塵的潔淨室、價值數百萬美元的機器、錫液以及雷射。整合這麼多要素的最終目標是將一塊塊矽片變成由數十億個電晶體組成的微小開關網絡。這些電晶體構成各種設備電路的基礎，最終讓電話、電腦、汽車、洗衣機或衛星得以實現各自的關鍵功能。
如此小卻又如此複雜
大多數晶片是運行軟體、處理數據和控制電子設備功能的電路組。不同晶片中的電路排列不同，用途也各不相同。以英偉達的圖形圖像晶片GeForce RTX3090為例，目前這是能將計算機代碼轉換為視頻遊戲圖形的最好晶片。
英偉達的圖形圖像晶片GeForce RTX3090
晶片企業總想在單個矽片中封裝更多的電晶體，從而提高性能和設備電源效率。英特爾製造的第一款晶片4004是在1971年問世的，其中只包含2300個大小為10微米的電晶體。在接下來的幾十年裡，英特爾在晶片行業的領導地位一直無可爭議。但到了2015年至2020年，英特爾的這一優勢地位不保。競爭對手台積電和三星電子開始製造出電晶體體積更小的晶片，單個電晶體尺寸甚至小到5奈米，也就是50億分之一米。相比之下，人類頭髮的平均寬度是10萬奈米。
晶片設計與製造
比手術室更乾淨
在把矽片放入晶片製造機器之前，需要一個特別乾淨的無塵室。單個電晶體比病毒還要小許多倍，一粒小小的塵埃就能造成嚴重破壞，白白燒掉數百萬美元。為了降低這種風險，晶片製造商選擇把製造機器安置在基本上沒有任何灰塵的潔淨室里。
為了維持這種清潔環境，潔淨室里中的空氣也要經過不斷過濾，很少有人能進去。如果有一兩個以上從頭到腳包裹嚴實的員工出現在晶片生產線旁，這可能表明晶片生產出了問題。研發晶片產品的天才工程師們其實都遠在千里之外。
即便有這麼多的預防措施，製造晶片的矽片也不能被工人直接接觸或暴露在空氣中。它們都被放置在盒子中，用安裝在潔淨室天花板軌道上的機器人來回移動。矽片只有在進入製造機器時才會從盒子的安全裝置中彈出，接下來才會進入晶片製造的關鍵流程。
原子級製造工藝
一塊晶片上有多達100層材料。要先堆積材料，然後移除部分材料，從而形成連接所有微型電晶體的複雜三維結構。其中有些單層材料甚至只有一個原子那麼薄。應用材料、泛林集團和東京電子等公司生產的機器需要處理溫度、壓力、電場以及磁場等一系列變量，才能實現這一目標。
製造過程中最困難的部分之一是光刻，目前主要是由阿斯麥所生產的機器完成。阿斯麥生產的光刻機利用光蝕刻沉積在矽片上的材料。相應的蝕刻圖案最終成為電晶體。這一切的尺度是如此之小，以至於目前只能使用太空中才會自然存在的極紫外光完成刻蝕。為了在受控的環境中重現這一過程，阿斯麥的光刻機用雷射脈衝照射錫液。當這種金屬蒸發時就會產生所需的極紫外光。但這還不夠，還需要用鏡子把光的波長變得更短。
光刻機前段設備就有59種以上，而後端也有8種類型的設備。矽片要經過氧化和噴塗、光刻、顯影與烘乾、刻蝕、摻雜、金屬沉積與刻蝕等多個步驟才能製造出成品晶圓。
巨額成本
晶片製造工廠7*24小時不間斷運行。之所以這麼做是因為成本太高了。建立一個每月能生產5萬片晶圓的入門級工廠要花150億美元。其中大部分花在了專業設備上。這個市場的銷售額在2020年首次超過了600億美元。
英特爾、三星和台積電這三家公司去年總營收達到1880億美元，他們在建設晶片製造工廠方面投入最多。每個工廠的成本超過200億美元，所採用技術也更先進。今年台積電將在新建工廠和設備上投入多達280億美元。而美國計劃在五年內為晶片行業提供500億美元的投資。
不論花多少錢，晶片工廠在5年或更短的時間內就會過時。為了避免虧損，晶片製造商的每個工廠必須要貢獻30億美元的淨利潤。目前只有晶片行業最大的公司才有能力建造多家工廠。
而且晶片造的越多，才能造的越好。晶片成品率仍是最為關鍵的衡量標準，若低於90%就會引發嚴重問題。但要想提高成品率，晶片製造商只能通過不斷燒錢買教訓。
晶片行業殘酷的經濟模式意味著，能趕上發展趨勢的公司越來越少。整個行業每年出貨約14億塊智慧型手機晶片，但大部分都是台積電所製造的；英特爾在計算機晶片市場上占有80%的份額；而三星在存儲晶片領域占據主導地位。對其他所有公司來說，想打入這個市場並站穩腳跟絕非易事。
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