很抢手的晶圆是个啥？
[汽车之家 新鲜技术解读] 伴随去年新冠疫情的全球爆发，居家办公成了蓝星各国的普遍操作，受此影响工厂减产/停产的新闻屡见不鲜。在新冠病毒为全球发展按下暂停键的数月之后，各车企逐步开工复产，不过相继曝出的芯片短缺、甚至因此停产的消息，令人揪心也影响着整车交易价格。
与此同时，汽车行业正向“新四化”快速转型，其中智能化、自动化又是车企、头部供应商的兵家必争之地。从整车生产到智能座舱与“自动驾驶”方案的商业化，这些都少不了芯片供应，背后是原料需求量的大幅上涨。当然也有好消息，比如，博世在德累斯顿的新晶圆工厂即将开始投产了，首批芯片将于7月下线，比预期提前了6个月。
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■很抢手的晶圆是个啥？
无论是电脑、手机、游戏机等消费类电子商品用的CPU，还是汽车、工业、通信等领域必不可少的各类半导体芯片，它们都是晶圆的衍生品。就像宫保鸡丁、左宗棠鸡、辣子鸡丁等不同菜品，佐料、做法各有不同，可少了鸡肉，再厉害的厨师也无计可施。
对半导体及其相关产业来说，晶圆是产品与技术发展的基础。不过晶圆生产可比“切鸡肉”门槛高多了，营造无尘环境是个基础条件，否则会影响晶圆的良品率，电子组件和电路也会带有缺陷。
一般情况下，无尘室的气压会比外界高，从而保证空气中的污染物不会被“吹”进无尘室内。生产所需的纯水、特殊气体等，会通过相应的管路输送到设备上，最大限度避免杂质沾染。
具备无尘条件后，可以聊晶圆制造了。通常说的晶圆又称硅晶圆，顾名思义，其原料是硅。不过硅在自然界中多以二氧化硅和硅酸盐的形态存在，说白了就是常见的岩石、砂砾。
生产晶圆的原料看上去司空见惯，可到了工厂里要经过提炼和提纯等步骤，才能成为真正的原料。就像从农贸市场或超市里买的鲜肉，到家都要水洗、除去筋膜一样，讲究的朋友还会给肉排酸，为的都是让原料更干净。重点是，全球能制造电子级硅的企业不到100家，其中95%的市场被晶圆厂垄断了，这可以说一个门槛。
继提炼和提纯步骤后，高纯度多晶硅会再次进行加热，融化后会顺着籽晶生长出单晶硅，工业上将这一步称为直拉法。产出的单晶硅棒还要对最外层进行研磨，这样才能保证切割出的晶圆直径一致。至此晶圆“样品”诞生了，接下来要加入砷、磷、硼等元素改变它的导电能力和特性了。别激动，这刚到加葱、姜、料酒腌制，离起锅烧油还有距离。
过程跟胶片时代在暗房里洗照片差不多，这个技术本身就不是谁都会的，况且晶圆生产还要用到光刻机。光刻机的性能，会影响到单位面积下晶圆的晶体管密度，并决定了一家企业能不能生产出高端芯片。
最终乍看是个镜面，实际上是大量芯片集合体的晶圆。通过检验、测试，再根据集成电路的不同用途进行切割、封装，才形成了不同的电子元件。目前，能生产12英寸（300mm）晶圆的厂家，主要用荷兰ASML的光刻机，光刻机有限的产能和高昂的价格本身就是门槛，更别说某些国家用光刻机“卡”别人脖子了。反过来说，晶圆工厂需要资本、技术、人员等方面的大手笔投入，“有钱人”造出来的稀罕物不抢手才怪呢。
■蜜汁操作真扎心 晶圆厂不爱跟车企玩
在半导体行业，供不应求是常态，而主流晶圆厂会生产直径200mm和300mm两种规格的晶圆。按照行业惯例，它们分别称为8英寸晶圆和12英寸晶圆。不过在产能安排上并非五五开，12英寸晶圆是主流，占全球晶圆总产能的80%。
对晶圆厂来说，芯片是最终产物，从晶圆上切芯片，与把蛋糕分成小块差不多，浪费的部分越少意味着利润越高。生产同一工艺的芯片，12英寸晶圆的产量比8英寸晶圆的多出2.385倍。借用IHS Markit的高级分析师Phil Amsrud话说，“从12英寸晶圆中获得的收益比从8英寸晶圆中获得的收益高出约50%”。
Tire1博世的晶圆新征程
一般情况下，90nm以下工艺的芯片会出自12英寸晶圆。比如5nm工艺的苹果A14、骁龙888处理器等。像MCU微控制器、ESP车身稳定控制单元等汽车上常用的电子元件，采用90、100、130nm工艺的居多，28nm工艺的都是个例。对于车企的需求，晶圆厂成本更低、技术更成熟的8英寸晶圆生产线足够了。
不仅如此，晶圆厂的制造工艺需要不断进步才能满足市场需求。相比生产工艺不先进、主要靠走量的MCU等元件，如何提升自身实力，拿到苹果、索尼等大厂下一代产品的订单，才是晶圆厂喜欢琢磨的事。毕竟，iPhone手机和PS系列游戏机的出货量更可观，5nm、3nm等先进工艺也会为芯片代工厂带来高光。
从算力上说，40nm和28nm工艺的芯片能够提供1TOPS算力（1TOPS=每秒钟可进行一万亿次计算），而车用芯片算力基本为每秒数十亿次，跟1TOPS相去甚远。伴随驾驶辅助系统与智能座舱的发展，车规级芯片对算力的需求越来越高，以高通8155和英伟达DRIVE AGX Orin芯片为例，两者算力分别是360和254TOPS。
说到这，就解释了MCU断供导致大众、通用、特斯拉等诸多车企缺“芯”停产的部分原因。另一部分原因是，在全球爆发新冠疫情期间，部分车企看到销量下滑主动取消了电子元件的订单。同时居家办公的兴起，带动了笔记本电脑、平板电脑等一系列电子产品的消费。不受待见的产能空了出来，喜闻乐见的领域需求大增，“前途”和“钱途”二合一，晶圆工厂乐坏了。后疫情时代，车企开始追加电子元件订单，这就遇到了排队问题，本就不多的8英寸晶圆产能大家都要排队。抱怨加价提车，或者等好几个月看不到爱车的朋友，往“好处”想想，没准车企也在等，比你还没辙呢。
虽说火灾、干旱等不可抗力等因素是造成芯片短缺的原因之一，但利润和市场需求才是晶圆厂调整产能的决定因素，更何况自己还要研发新工艺力求跟上时代呢。就像去私房菜馆点独家特供需要提前预约一样，增加“非主流”生产线很不划算，有这功夫商家能翻好几桌了。
■Tire1博世的晶圆新征程
说到德国博世，大家都不陌生。它的业务包含但不限于汽车、工业等领域，也是不少车企的一级供应商（Tire1）。像单手可持的家用电钻、ESP车身稳定控制系统，这些都是博世的杰作。
在1995年和2010年，这个工厂分别引入了150mm和200mm晶圆制造技术，也就是6英寸和8英寸晶圆。除了满足自家车用电子元件自产自销之外，博世还涉足了智能手机、笔记本电脑、无人机和可穿戴设备等领域的芯片供应。具体说，从1978年推出ABS防抱死模块，到压力传感器等MEMS微机电系统，博世Reutlingen工厂都能产。
伴随智能网联与“自动驾驶”相关功能在汽车上普及，每辆车上半导体元件的数量和成本都在逐年提升，这些对博世的晶圆产能与工艺提出了更高要求。于是位于德累斯顿的300mm（12英寸）晶圆工厂诞生了，新工厂是博世集团130 多年历史上总额最大的单笔投资，也是博世迈向工业4.0的起点，未来欧洲三分之一的芯片将来自于这里。
按照计划，博世德累斯顿晶圆厂将于7月开始启动生产，比原计划提前了6个月。新工厂生产的半导体将应用于博世电动工具，而车用芯片的生产将于9月启动，也比原计划提前了3个月。
晶圆厂中来自于设备、传感器和产品的所有数据都被记录在一个中央数据库中，每秒生成的生产数据相当于500页文本。一天之内，数据总量就超过4200万页。这些数据将由人工智能评估。
从晶圆到产出芯片等成品，整个过程会经历700道工序，耗时10周时间。在新工厂里，晶圆的运输过程实现了全面自动化，几万平方米的厂区之后会提供700个人工工位。当然，据相关资料称，12英寸晶圆加上装载具后的重量，超出了人工运输的载荷极限，这或许是12英寸晶圆工厂需要高度自动化的原因之一。
作为众多车企的一级供应商，在智能网联与“自动驾驶”对汽车芯片提出高要求与高需求的当下，自建工厂是博世面向未来，并尽可能规避市场供需关系造成价格波动的最佳选择。而生产12英寸晶圆，不仅能将晶圆单位面积的利润和产能最大化，也为日后迎接更先进制程工艺埋下了伏笔。
写在最后
汽车智能化、自动化的背后，是芯片、软件等相关技术的持续加码，与其说前段时间的芯片告急揭露了半导体行业的产能问题，倒不如说这恰好暴露了汽车芯片与电子产品CPU等元件的技术差异。把决定价格的话语权握在自己手里，这是传统供应商、主机厂都会想到的事情，而拥抱新技术与行业发展趋势，或许是传统之外新潮的方面。没太看明白的话，琢磨一下便利店里贴自己牌子味道和某气森林差不多的饮料，道理差不多。（文 汽车之家 马一凡）
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