生產一個小小的晶片需要投入大量的努力

半導體產業不僅是現代經濟命脈,更是如今通貨膨脹加劇的推手之一。這種體積微小的零組件,為何需要斥資數兆元建廠?英特爾正在投資建設的晶圓廠,或許可以提供一些線索

有些晶片有著超過500億個微小電晶體,這些電晶體比人類頭髮的寬度還細1萬倍。晶片在巨大的、極度乾淨的廠房中被製造出來,廠房可達7層樓高,占地範圍相當於4個足球場。

就許多方面來看,晶片無疑是現代經濟的命脈,它們應用於電腦、智慧型手機、汽車、家電和許多其他電子用品。但自新冠疫情爆發以來,除了使全球對晶片的需求大增,這也導致供應鏈中斷,造成全球缺貨。

晶片短缺反過來加劇了通貨膨脹,且為美國晶片市場敲響了警鐘:美國變得益發依賴外國製造的晶片。全球半導體製造產能中,美國僅占約12%;超過90%的先進製程晶片來自台灣。

矽谷巨頭英特爾(Intel)正試圖回歸它長久以來在晶片製造技術上的領導地位,該公司押注200億美元(約5,700億元新台幣)投資建廠,希望有助於緩解晶片短缺。英特爾正在亞利桑那州的錢德勒(Chandler)興建兩間工廠,預計3年內完工。近期更宣布,將於俄亥俄州的新奧爾巴尼(New Albany)和德國的馬格德堡(New Albany)建廠,有望展開更大規模的擴張計畫。

英特爾的產品Ponte Vecchio 繪圖晶片。(Philip Cheung)

為什麼製造數百萬個這種小小的元件,需要蓋這麼大棟的建築、耗費鉅額?觀察英特爾在錢德勒和奧勒岡州的希爾思伯勒(Hillsboro)的製造廠,或可得到一些答案。

晶片能做什麼?

晶片,或稱積體電路,從1950年代末期開始取代笨重的獨立電晶體。這些微小元件大部分製造於一片矽基板上,並連結起來運作。製造出來的晶片會儲存資料、強化無線訊號,並執行其他作業;英特爾以製造一種叫「微處理器」的產品聞名,該產品能夠執行電腦大部分的計算功能。

英特爾已成功讓微處理器裡的電晶體縮小到令人難以想像的尺寸。但它的對手台積電能夠製造出更加微小的元件,這也是 Apple 選擇台積電為最新款 iPhone 製造晶片的關鍵原因。

台積電取得了如此勝利,進一步顯示了日漸擴大的技術差距。中國宣稱台灣為其領土的一部分,而中國的野心和台灣的自然災害(如地震和乾旱),可能為台灣晶片產業在電腦運算、消費性電子產品,和軍事硬體上的進步帶來風險。這也使得英格爾試圖奪回技術領導一事備受矚目。

如何製造晶片

晶片製造商正試圖在每一片矽基板上封裝愈來愈多的電晶體,技術進展使得效能逐年提升。這也是為何新晶片廠要耗資數十億美元,且愈來愈少企業能夠負擔建設費用。

除了支付建築與機器費用以外,企業必須花費鉅資開發複雜的加工步驟,以從圓盤大小的晶圓製造(fabricate)出晶片——這也是為什麼這些廠房被稱為「晶圓廠」(fabs)。

巨大的機器在每片晶圓上投映設計,接著沉積、蝕刻除去材料層,以構成電晶體,並將它們彼此連結。每次最多會有25個晶圓在自動高架軌道上的特殊傳送盒(foup)中移動。

亞利桑那州的廠房中,特殊傳送盒正在自動高架輸送帶上移動。(Philip Cheung)

加工一個晶圓需要數千個步驟,耗時長達兩個月。近年來,台積電透過營運「超大晶圓廠」(擁有4條或4條以上生產線),確立了生產的速度。市場研究機構 TechInsights 副主席丹.赫奇森(Dan Hutcheson)預估,每座工廠單月能夠加工10萬個以上的晶圓。他預測,英特爾在亞利桑那州計劃投資100億美元(約2,850億元新台幣)的兩間工廠,其產能大約是每個月各生產4萬個晶圓。

如何包裝晶片

加工過後,晶圓被切成獨立的晶片。它們會經過測試,並以塑膠封裝,再連接到電路板或部分系統元件。

這個步驟儼然成為一處新戰場,因為要將電晶體做得更小,難度也會更高。現在,企業們正在將多個晶片堆疊起來,或將它們並排封裝,讓它們連接起來,就像一塊矽晶圓。

專門的機器會接收載滿晶圓的傳送盒。(Philip Cheung)

而將少量晶片封裝在一起,如今已然成為常規,英特爾開發了一項先進的產品,能運用新技術綑綁高達47個獨立晶片,包括一些由台積電製造的,以及其他企業在英特爾晶圓廠製造的晶片,這數量令人震驚。

是什麼讓晶片廠與眾不同

英特爾的晶片通常一個售價數百至數千美元。例如,英特爾於3月發表的最新桌上型電腦微處理器,起始售價739美元(約2萬1,850元新台幣)。一粒肉眼可見的灰塵,就能毀掉一個晶片,因此,晶圓廠必須比醫院的手術室更乾淨,且需要複雜的系統來過濾空氣,調節溫度和濕度。

晶圓廠也必須不受任何震動的影響,以避免昂貴的設備因震動而故障。為此,晶圓廠的無塵室會蓋在裝有特殊減震器的巨大混凝土板上。

移動大量液體和氣體的能力也同樣重要。英特爾最頂級的工廠高約21公尺,配有巨大風扇幫助空氣循環到正下方的無塵室。在無塵室下方,則有著數千個幫浦、變壓器、配電箱、管道設施,以及與生產機器連接的冷卻器。

對水的需求

晶圓廠的運轉需要大量水資源,因為製造過程的許多階段都需要用水來清潔晶圓。

英特爾在錢德勒的兩處廠區,每天合計會從當地公共設施抽取大約4,100萬公升的水。而英特爾未來擴廠後將會需要更大量的水,這在飽受乾旱困擾的亞利桑那州似乎是一項挑戰,該地區已經削減了農夫的用水配額。但農務實際消耗的水資源,遠多於一座晶片廠的用水量。

英特爾表示,錢德勒廠區依靠3條河和1個水井系統的供應,它們會透過過濾系統、沉澱池和其他設備,回收82%使用過的淡水。這些水會被送回該城市(該市營運的污水處理設施是由英特爾出資),並重新分配,以用在灌溉和其他非飲用水用途。

英特爾位於希爾思伯勒廠區的污水處理廠。(Philip Cheung)

英特爾希望透過與環保組織及其他單位合作,為當地社區節約、恢復水資源,在2030年前協助增加亞利桑那州和其他州的供水量。

如何建造晶圓廠

為了建造未來的廠房,英特爾將會需要大約5,000位熟練的建築工人加入為期3年的工程。

他們有非常多事要做。英特爾營造工程負責人管丹.多隆(Dan Doron)表示,清除地基預計會挖走約68萬立方公尺的泥土,以每分鐘一輛傾卸式貨車的速度運走。

英特爾預期澆築超過34萬立方公尺的混凝土,並使用10萬噸鋼筋作為地基。這將超過全世界最高的建築物——杜拜的哈里發塔。

多隆表示,有些施工用的起重機非常巨大,需要用100輛卡車才能把零件組裝起來。這些起重機將吊起55噸重的冷卻器,提供新的晶圓廠使用。

一年前上任的英特爾執行長季辛格(Patrick Gelsinger)正在遊說美國國會補助晶圓廠工程,並為設備投資提供稅賦減免。為了管理英特爾的支出風險,他的計畫著重於晶圓廠「外殼」的建設,配備相應設施以應對市場變化。

為了解決晶片短缺的問題,季辛格必須兌現他的計畫,生產由其他企業設計的晶片。但單一一間公司能做的效果有限;如手機、汽車等產品,需要許多供應商製作的零組件,也需要成熟製程的晶片。且在半導體產業中,也沒有一個國家可以獨立運作。

儘管美國推動國內製造晶片,可以在一定程度上減少供應鏈風險,但晶片產業將會繼續依賴複雜的全球產業網,以提供原料、生產設備、設計軟體、人才和專業製造。

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