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來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 今日半導(dǎo)體整理發(fā)布 轉(zhuǎn)載請注明來源，否則視為侵權(quán)！ 當(dāng)您走在英特爾芯片工廠內(nèi)的笨重機(jī)器中時(shí)，您會(huì)同時(shí)感到矮小和巨大。之所以顯得矮小，是因?yàn)檫@些被稱為晶圓廠的工廠占地幾十英畝，規(guī)模龐大。之所以巨大，是因?yàn)樗鼈冎圃斓奶幚砥魍ǔ１饶愕男∧粗钢讣走€小——它們上面的晶體管非常小，數(shù)千個(gè)晶體管可以在一根頭發(fā)的寬度上并排放置。晶圓廠是自動(dòng)化制造的頂峰，是首席執(zhí)行官帕特·蓋辛格 (Pat Gelsinger) 重新奪回英特爾芯片制造領(lǐng)導(dǎo)地位計(jì)劃的核心，也是美國芯片行業(yè)和政治盟友從中國和其他亞洲國家手中奪回高科技制造業(yè)的核心。但他們到底是什么樣子的呢？真的有穿著兔子裝和機(jī)械臂的人，甩著像價(jià)值1萬美元的飛盤一樣的彩虹色圓盤嗎?今年秋天，我參觀了位于鳳凰城郊區(qū) 700 英畝土地上的兩家英特爾晶圓廠，以了解CNET 對美國制造業(yè)的看法。我了解到它們高度自動(dòng)化，極其昂貴，并且是該州灰塵最少的地方。從外面看，晶圓廠就像其他巨大的工業(yè)建筑，周圍環(huán)繞著巨大的管道、停車場和水凈化系統(tǒng)。但是路標(biāo)是關(guān)于正在發(fā)生的事情的絕對贈(zèng)品：Wafer Way，Angstrom Avenue，Cleanroom Corner，Transistor Terrace，Processor Parkway，Silicon Street。Tick-Tock Trail 稍微降低了樂趣——它以英特爾實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定芯片進(jìn)步的舊方法命名。但是，正如我在相關(guān)專題中所解釋的那樣，當(dāng)英特爾幾年前慘敗時(shí)，競爭對手臺(tái)積電 (TSMC) 和三星得以領(lǐng)先。英特爾的 Fab 42在 2011 年開始建設(shè)時(shí)耗資 70 億美元，它與早期的 12、22 和 32 號(hào)晶圓廠相連?，F(xiàn)在這些設(shè)施的成本為 100 億美元，不過英特爾希望美國在可能的立法中提供補(bǔ)貼將使價(jià)格降低約 30 億美元。位于亞利桑那州錢德勒的英特爾 Fab 42
Fab 42 的英特爾路牌
英特爾 Fab 42 的天花板安裝芯片運(yùn)輸
Fab 42 基礎(chǔ)設(shè)施晶圓廠配備了龐大的支持設(shè)備結(jié)構(gòu)，以處理諸如供電、凈化水和冷卻空氣之類的事情。運(yùn)行一個(gè)晶圓廠需要數(shù)百萬加侖的純水。Ocotillo 園區(qū)每天可以處理超過 900 萬加侖的水，英特爾正在努力改進(jìn)，以便到 2030 年它返回到亞利桑那州南部干涸流域的水量超過其使用量。 
Intel Fab 42蝕刻設(shè)備晶圓廠的工作是攝取稱為晶圓的無瑕硅晶體的圓形切片，經(jīng)過 500 個(gè)左右的持續(xù)三個(gè)月或更長時(shí)間的處理步驟后，吐出成品微處理器。每個(gè)芯片都有數(shù)十億個(gè)稱為晶體管的電子通斷開關(guān)，它們每秒鐘隨著芯片時(shí)鐘的節(jié)拍跳動(dòng)數(shù)十億次，處理數(shù)據(jù)，這樣你就可以給爸爸發(fā)短信或查看誰在按你的智能門鈴。晶圓廠的標(biāo)志之一是它們是干凈的。真的很干凈。任何一粒灰塵或干燥的棉絨都會(huì)毀掉一個(gè)可以賣到數(shù)百美元的芯片。芯片制造操作將晶圓與外界隔離開來，整個(gè)晶圓廠都處于正氣壓下，以防止污染物進(jìn)入。為了從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器，稱為 FOUP 的塑料模塊——前開式統(tǒng)一吊艙——沿著天花板安裝的軌道在晶圓廠周圍攪拌成堆的晶圓。這一切都由一個(gè)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理，該系統(tǒng)知道哪些晶圓用于制造和測試。黑色 FOUP 從頭頂呼嘯而過，然后落在電纜上，通過每臺(tái)晶圓廠機(jī)器上的艙口排出或收集晶圓。
英特爾芯片 FOUP位于亞利桑那州錢德勒的這片空地是英特爾開始建造 Fab 52 和 Fab 62 的地方，這兩個(gè)芯片工廠每家耗資 100 億美元，預(yù)計(jì)將于 2024 年上線。在今天的 12,000 個(gè)基礎(chǔ)上，新的晶圓廠將增加約 3,000 個(gè)工作崗位用于英特爾在亞利桑那州的業(yè)務(wù)。
它使我?guī)啄昵霸诘聡譅柗蛩贡ご蟊娖嚬S看到的數(shù)百個(gè)機(jī)器人看起來像笨拙、蹣跚的巨人。另一方面，我可以看到正在制造的汽車。大多數(shù)情況下，晶圓被隱藏起來，主要暴露在昂貴的測量設(shè)備中，以掃描缺陷。需要更多的預(yù)防措施來預(yù)防人類，因?yàn)槲覀兠撀涞念^發(fā)和粗糙的死皮細(xì)胞。人們必須將自己幾乎完全密封在英特爾于 1973 年開創(chuàng)的有時(shí)稱為兔子套裝的服裝中。在使用新的英特爾 7 制造工藝制造芯片的 Fab 42 中，我不得不戴兩副手套——外層只戴了很長時(shí)間足以穿好衣服，然后被丟棄，因?yàn)樗龅搅宋业钠胀ㄒ路?/section>在進(jìn)入晶圓廠之前，我也不得不擦拭我的相機(jī)設(shè)備，并使用一個(gè)特殊的乳膠潔凈室筆記本，它的脫落比低過敏性拉布拉多犬還少。盡管您可能從英特爾 1997 年的超級(jí)Bowl 廣告中學(xué)到了什么，但除非您喜歡皺巴巴的紙袋外觀，否則兔子套裝并不討人喜歡。特殊的靴子會(huì)讓你帶電著陸——當(dāng)你進(jìn)入時(shí)通過測試驗(yàn)證——所以你不會(huì)用你的靜電荷電擊任何東西。發(fā)套、胡須套和 COVID-19 面具完成了我的轉(zhuǎn)變，變成了幾乎完全匿名的兩足動(dòng)物，只能通過我的顏色編碼徽章識(shí)別。不過，很多人已經(jīng)習(xí)慣了：英特爾在亞利桑那州有 12,000 名員工，在俄勒岡州的工廠有 21,000 名員工。晶圓廠中有許多芯片制造機(jī)器，但最負(fù)盛名的是涉及光刻工藝——字面意思是，用光在石頭上書寫。芯片是通過將紫外線照射到精心設(shè)計(jì)的掩模中來制造的，該掩模可以選擇性地阻擋光線。晶片預(yù)先涂有一種稱為光刻膠的光敏材料，在光線照射的地方發(fā)生化學(xué)變化。光刻是一項(xiàng)棘手的業(yè)務(wù)，因?yàn)樾酒系奶卣饕呀?jīng)縮小得如此之小，而且每隔幾年就會(huì)繼續(xù)縮小一點(diǎn)。一種稱為多重圖案化的過程讓芯片設(shè)計(jì)人員可以使用多個(gè)照明步驟，每個(gè)步驟都有自己的掩模，以創(chuàng)建一組比光波長允許的更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。它是如此敏感，以至于晶圓廠建在地質(zhì)穩(wěn)定的土地上，而設(shè)備則靠在隔振支架上。來自市場領(lǐng)導(dǎo)者 ASML 的最新光刻機(jī)每臺(tái)成本約為 1.5 億美元，并用激光噴射微小的錫滴以產(chǎn)生超短波長的超高頻光。英特爾才剛剛開始使用這種極紫外光刻工藝，落后于臺(tái)積電和三星，但它是 Gelsinger 復(fù)出計(jì)劃的支柱之一。這種設(shè)備不斷上漲的費(fèi)用是摩爾第二定律的一個(gè)原因，即新晶圓廠的價(jià)格每四年翻一番。英特爾的復(fù)蘇計(jì)劃包括耗資 200 億美元在目前正在建設(shè)的亞利桑那州新晶圓廠，以及數(shù)十億美元用于升級(jí)新墨西哥、愛爾蘭和以色列的晶圓廠，以及耗資 2000 億美元在美國和歐洲建立兩個(gè)全新的“大型晶圓廠”工廠。圖案化后，晶圓被傳送到另一臺(tái)對晶圓進(jìn)行化學(xué)處理的機(jī)器。被照亮的光刻膠區(qū)域會(huì)被洗掉，暴露下面的材料，然后通過另一種稱為蝕刻的化學(xué)過程將其去除。然后用另一個(gè)化學(xué)過程去除剩余的保護(hù)性光刻膠，對另一組結(jié)構(gòu)重復(fù)整個(gè)循環(huán)。晶圓廠一年 365 天、一天 24 小時(shí)都在運(yùn)行。即便如此，將原始晶圓變成鑲嵌著數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)矩形芯片的成品也需要大約三個(gè)月的時(shí)間。我參觀的第二家工廠 CH4 專門從事接下來的工作，即包裝。在過去，這只是意味著將芯片連接到電路板外殼并確保它受到保護(hù)。現(xiàn)在，它通常意味著將多個(gè)“小芯片”連接到一個(gè)更大的處理器中。
用于芯片封裝的英特爾 CH-4 晶圓廠在英特爾的 CH4 中，這種不同類型的晶圓廠工作正在進(jìn)行中。它沒有光刻那么迷人：“我們是廉價(jià)人。我們穿牛仔褲和 T 恤，”領(lǐng)導(dǎo)英特爾封裝開發(fā)工作的 Babak Sabi 說。但它越來越重要。封裝技術(shù)越來越先進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)小芯片之間的超快速通信鏈接，現(xiàn)在讓芯片制造商可以將它們以節(jié)省空間的高帶寬 3D 排列方式堆疊在一起。它允許設(shè)計(jì)人員通過將快速、昂貴的小芯片與不需要尖端性能的更慢、更便宜的小芯片相結(jié)合來組裝處理器。英特爾的 Ponte Vecchio 處理器是一個(gè)封裝杰作，它結(jié)合了 47 個(gè)獨(dú)立的有源硅元件，水平連接和垂直堆疊。該視圖僅顯示了 10 億晶體管處理器中的一半。
一架英特爾飛機(jī)從 CH4 每天兩次將俄勒岡州制造的小芯片運(yùn)送到亞利桑那州。它們以線軸的形式到達(dá)，每個(gè)小芯片都密封在塑料套管中。每隔幾秒鐘，一個(gè)機(jī)械臂就會(huì)取出一個(gè)新芯片，然后小心地將它放在一個(gè)芯片上，該芯片仍然是晶圓上的同類芯片。其他鍵合技術(shù)將單個(gè)芯片放在彼此的頂部，甚至連接整個(gè)晶片。我看到的 Sapphire Lake 服務(wù)器芯片將于 2022 年發(fā)貨，四個(gè)小芯片并排連接在一個(gè)封裝內(nèi)。展出的還有 2023 Meteor Lake PC 芯片的測試版本，該芯片缺乏真正的處理電路，但可用于測試 3D 堆疊技術(shù)。附近是巨大的 Ponte Vecchio 處理器，將 47 個(gè)有源硅元件組合成一個(gè)巨大的計(jì)算設(shè)備。這些是阿貢國家實(shí)驗(yàn)室 Aurora的大腦，預(yù)計(jì)它在 2022 年啟動(dòng)時(shí)將成為世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。看到這些超復(fù)雜的計(jì)算能力從頭頂飛過，然后進(jìn)入包裝機(jī)，真是令人著迷。但幾個(gè)小時(shí)后，我脫下我的兔子服，把手套扔進(jìn)垃圾桶，然后回到亞利桑那溫暖的空氣中。英特爾正在努力恢復(fù)其作為芯片行業(yè)領(lǐng)頭羊的地位。然而，即使排在第三位，它的晶圓廠也在嗡嗡作響。 今日半導(dǎo)體整理發(fā)布 轉(zhuǎn)載請注明來源，否則視為侵權(quán)！
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