BBIN半导体芯片怎么造？美国为何出台500亿芯片法案？

　　半导体芯片是几乎所有现代电子设备的核心。目前全球绝大多数芯片均为中国台湾制造，这种依赖令美国倍感担忧。

　　2022年7月下旬，美国国会通过了《芯片与科学法案》（CHIPS and Science Act），将提供超过500亿美元的补贴用以提振本土的芯片生产。

　　美国亚利桑那州立大学的电气工程教授特雷弗·桑顿（Trevor Thornton）长期致力于芯片技术的前沿探索和产业化。他给我们科普了半导体芯片的基本概念和制造工艺，BBIN bbin并评价了美国的芯片生产业。

　　半导体一词的科学释义为“一种导电性介于导体（如金属铜）和绝缘体（如玻璃）之间的材料”。常见半导体材料包括硅、锗、砷化镓以及元素周期表上“准金属阶梯”附近的元素构成的材料。

　　这些厚度在微米甚至纳米级的薄片能以每平方毫米上数亿个晶体管的密度集成电路。晶体管作为电子开关，控制芯片上微型电路的导通和截止，就像你在家里拨动开关以控制电灯的回路一样。

　　半导体芯片是电子设备的最基本组成部分，发挥处理、存储和接收信息的功能。例如，存储用的芯片能将数据和软件存储为二进制代码，数字芯片根据软件指令处理数据，无线芯片从高频无线电发射器处接收数据并将其转换为电信号。

　　这些不同芯片在软件控制下协同工作。不同的软件应用程序执行类型迥异的任务，但都得通过切换晶体管的开和关来工作。

　　绝大多数半导体芯片的起点是一块薄薄的硅晶片，行业术语叫“wafer”，中文译作“晶圆”。

　　这类硅晶片往往有餐盘大小，是从单晶硅切割而来的。制造者会在硅表面的薄层内添加磷和硼等元素，以增加芯片导电性——晶体管开关的构建也正是在这个表面薄层里进行的。

　　在构建晶体管电路时，制造者需要向整片晶圆表面添加导电金属层、绝缘体层和更多的硅层，接着通过光刻、离子注入、蚀刻等工艺在添加层上勾勒出电路图，再借助计算机控制的等离子体选择性去除多余添加层，只留下晶体管电路。

　　之所以采用上述“先加后去”的构建策略，是因为晶体管体积太小，数量太多，要将整套电路直接安置于芯片上可谓难比登天，相比之下——先沉积，再勾勒，最后蚀刻的制造工艺容易得多。

　　半导体芯片最早的商业应用之一是盛行于1970年代的袖珍计算器。这些计算器里的早期芯片只包含几千个晶体管。1989年，英特尔公司推出了第一款拥有超过一百万个晶体管的半导体芯片。

　　今天，最大规格的芯片容纳了超过500亿个晶体管。晶体管数量增加的规律可由摩尔定律描述：大约每18个月就会翻一番。

　　摩尔定律已经持续了50年。但如今的半导体行业要想保持住这个定律，必须克服重大挑战，那就是怎样继续缩小晶体管的尺寸。

　　一种解决方案是将二维平面晶体管拓展到三维鳍状结构，得到鳍式三维芯片。此类芯片现已被广泛使用，但其制造工艺仍存在各种问题。

　　曾几何时，美国几乎所有的半导体公司都会建立并维护自己的工厂。但是今天，建设一个新工厂的成本可能超过100亿美元，这令大多数公司望而却步，选择把自己的设计外包给独立代工厂进行制造。

　　中国台湾的台积电和总部位于纽约的格罗方德（GlobalFoundries），是两大芯片跨国代工厂的典型代表。两家都拥有扎实的技术，以及足够大的规模经济，大到可负担下一代半导体生产技术的高昂投资。

　　颇为讽刺的是，虽然晶体管和芯片是在美国发明的，但目前美国本土没有全球最顶尖的半导体代工厂（格罗方德落后于台积电和三星）。美国曾在20世纪80年代领先世界，当时美国人担心日本将主导全球存储器业务。