[汽車之家 新鮮技術(shù)解讀] 伴隨去年新冠疫情的全球爆發(fā)，居家辦公成了藍星各國的普遍操作，受此影響工廠減產(chǎn)/停產(chǎn)的新聞屢見不鮮。在新冠病毒為全球發(fā)展按下暫停鍵的數(shù)月之后，各車企逐步開工復(fù)產(chǎn)，不過相繼曝出的芯片短缺、甚至因此停產(chǎn)的消息，令人揪心也影響著整車交易價格。
與此同時，汽車行業(yè)正向“新四化”快速轉(zhuǎn)型，其中智能化、自動化又是車企、頭部供應(yīng)商的兵家必爭之地。從整車生產(chǎn)到智能座艙與“自動駕駛”方案的商業(yè)化，這些都少不了芯片供應(yīng)，背后是原料需求量的大幅上漲。當(dāng)然也有好消息，比如，博世在德累斯頓的新晶圓工廠即將開始投產(chǎn)了，首批芯片將于7月下線，比預(yù)期提前了6個月。
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■很搶手的晶圓是個啥？
無論是電腦、手機、游戲機等消費類電子商品用的CPU，還是汽車、工業(yè)、通信等領(lǐng)域必不可少的各類半導(dǎo)體芯片，它們都是晶圓的衍生品。就像宮保雞丁、左宗棠雞、辣子雞丁等不同菜品，佐料、做法各有不同，可少了雞肉，再厲害的廚師也無計可施。
對半導(dǎo)體及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)來說，晶圓是產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。不過晶圓生產(chǎn)可比“切雞肉”門檻高多了，營造無塵環(huán)境是個基礎(chǔ)條件，否則會影響晶圓的良品率，電子組件和電路也會帶有缺陷。
一般情況下，無塵室的氣壓會比外界高，從而保證空氣中的污染物不會被“吹”進無塵室內(nèi)。生產(chǎn)所需的純水、特殊氣體等，會通過相應(yīng)的管路輸送到設(shè)備上，最大限度避免雜質(zhì)沾染。
具備無塵條件后，可以聊晶圓制造了。通常說的晶圓又稱硅晶圓，顧名思義，其原料是硅。不過硅在自然界中多以二氧化硅和硅酸鹽的形態(tài)存在，說白了就是常見的巖石、砂礫。
生產(chǎn)晶圓的原料看上去司空見慣，可到了工廠里要經(jīng)過提煉和提純等步驟，才能成為真正的原料。就像從農(nóng)貿(mào)市場或超市里買的鮮肉，到家都要水洗、除去筋膜一樣，講究的朋友還會給肉排酸，為的都是讓原料更干凈。重點是，全球能制造電子級硅的企業(yè)不到100家，其中95%的市場被晶圓廠壟斷了，這可以說一個門檻。
繼提煉和提純步驟后，高純度多晶硅會再次進行加熱，融化后會順著籽晶生長出單晶硅，工業(yè)上將這一步稱為直拉法。產(chǎn)出的單晶硅棒還要對最外層進行研磨，這樣才能保證切割出的晶圓直徑一致。至此晶圓“樣品”誕生了，接下來要加入砷、磷、硼等元素改變它的導(dǎo)電能力和特性了。別激動，這剛到加蔥、姜、料酒腌制，離起鍋燒油還有距離。
過程跟膠片時代在暗房里洗照片差不多，這個技術(shù)本身就不是誰都會的，況且晶圓生產(chǎn)還要用到光刻機。光刻機的性能，會影響到單位面積下晶圓的晶體管密度，并決定了一家企業(yè)能不能生產(chǎn)出高端芯片。
最終乍看是個鏡面，實際上是大量芯片集合體的晶圓。通過檢驗、測試，再根據(jù)集成電路的不同用途進行切割、封裝，才形成了不同的電子元件。目前，能生產(chǎn)12英寸（300mm）晶圓的廠家，主要用荷蘭ASML的光刻機，光刻機有限的產(chǎn)能和高昂的價格本身就是門檻，更別說某些國家用光刻機“卡”別人脖子了。反過來說，晶圓工廠需要資本、技術(shù)、人員等方面的大手筆投入，“有錢人”造出來的稀罕物不搶手才怪呢。
■蜜汁操作真扎心 晶圓廠不愛跟車企玩
在半導(dǎo)體行業(yè)，供不應(yīng)求是常態(tài)，而主流晶圓廠會生產(chǎn)直徑200mm和300mm兩種規(guī)格的晶圓。按照行業(yè)慣例，它們分別稱為8英寸晶圓和12英寸晶圓。不過在產(chǎn)能安排上并非五五開，12英寸晶圓是主流，占全球晶圓總產(chǎn)能的80%。
對晶圓廠來說，芯片是最終產(chǎn)物，從晶圓上切芯片，與把蛋糕分成小塊差不多，浪費的部分越少意味著利潤越高。生產(chǎn)同一工藝的芯片，12英寸晶圓的產(chǎn)量比8英寸晶圓的多出2.385倍。借用IHS Markit的高級分析師Phil Amsrud話說，“從12英寸晶圓中獲得的收益比從8英寸晶圓中獲得的收益高出約50%”。
一般情況下，90nm以下工藝的芯片會出自12英寸晶圓。比如5nm工藝的蘋果A14、驍龍888處理器等。像MCU微控制器、ESP車身穩(wěn)定控制單元等汽車上常用的電子元件，采用90、100、130nm工藝的居多，28nm工藝的都是個例。對于車企的需求，晶圓廠成本更低、技術(shù)更成熟的8英寸晶圓生產(chǎn)線足夠了。
不僅如此，晶圓廠的制造工藝需要不斷進步才能滿足市場需求。相比生產(chǎn)工藝不先進、主要靠走量的MCU等元件，如何提升自身實力，拿到蘋果、索尼等大廠下一代產(chǎn)品的訂單，才是晶圓廠喜歡琢磨的事。畢竟，iPhone手機和PS系列游戲機的出貨量更可觀，5nm、3nm等先進工藝也會為芯片代工廠帶來高光。
從算力上說，40nm和28nm工藝的芯片能夠提供1TOPS算力（1TOPS=每秒鐘可進行一萬億次計算），而車用芯片算力基本為每秒數(shù)十億次，跟1TOPS相去甚遠。伴隨駕駛輔助系統(tǒng)與智能座艙的發(fā)展，車規(guī)級芯片對算力的需求越來越高，以高通8155和英偉達DRIVE AGX Orin芯片為例，兩者算力分別是360和254TOPS。
說到這，就解釋了MCU斷供導(dǎo)致大眾、通用、特斯拉等諸多車企缺“芯”停產(chǎn)的部分原因。另一部分原因是，在全球爆發(fā)新冠疫情期間，部分車企看到銷量下滑主動取消了電子元件的訂單。同時居家辦公的興起，帶動了筆記本電腦、平板電腦等一系列電子產(chǎn)品的消費。不受待見的產(chǎn)能空了出來，喜聞樂見的領(lǐng)域需求大增，“前途”和“錢途”二合一，晶圓工廠樂壞了。后疫情時代，車企開始追加電子元件訂單，這就遇到了排隊問題，本就不多的8英寸晶圓產(chǎn)能大家都要排隊。抱怨加價提車，或者等好幾個月看不到愛車的朋友，往“好處”想想，沒準(zhǔn)車企也在等，比你還沒轍呢。
雖說火災(zāi)、干旱等不可抗力等因素是造成芯片短缺的原因之一，但利潤和市場需求才是晶圓廠調(diào)整產(chǎn)能的決定因素，更何況自己還要研發(fā)新工藝力求跟上時代呢。就像去私房菜館點獨家特供需要提前預(yù)約一樣，增加“非主流”生產(chǎn)線很不劃算，有這功夫商家能翻好幾桌了。
■Tire1博世的晶圓新征程
說到德國博世，大家都不陌生。它的業(yè)務(wù)包含但不限于汽車、工業(yè)等領(lǐng)域，也是不少車企的一級供應(yīng)商（Tire1）。像單手可持的家用電鉆、ESP車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)，這些都是博世的杰作。
在1995年和2010年，這個工廠分別引入了150mm和200mm晶圓制造技術(shù)，也就是6英寸和8英寸晶圓。除了滿足自家車用電子元件自產(chǎn)自銷之外，博世還涉足了智能手機、筆記本電腦、無人機和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的芯片供應(yīng)。具體說，從1978年推出ABS防抱死模塊，到壓力傳感器等MEMS微機電系統(tǒng)，博世Reutlingen工廠都能產(chǎn)。
伴隨智能網(wǎng)聯(lián)與“自動駕駛”相關(guān)功能在汽車上普及，每輛車上半導(dǎo)體元件的數(shù)量和成本都在逐年提升，這些對博世的晶圓產(chǎn)能與工藝提出了更高要求。于是位于德累斯頓的300mm（12英寸）晶圓工廠誕生了，新工廠是博世集團130 多年歷史上總額最大的單筆投資，也是博世邁向工業(yè)4.0的起點，未來歐洲三分之一的芯片將來自于這里。
按照計劃，博世德累斯頓晶圓廠將于7月開始啟動生產(chǎn)，比原計劃提前了6個月。新工廠生產(chǎn)的半導(dǎo)體將應(yīng)用于博世電動工具，而車用芯片的生產(chǎn)將于9月啟動，也比原計劃提前了3個月。
晶圓廠中來自于設(shè)備、傳感器和產(chǎn)品的所有數(shù)據(jù)都被記錄在一個中央數(shù)據(jù)庫中，每秒生成的生產(chǎn)數(shù)據(jù)相當(dāng)于500頁文本。一天之內(nèi)，數(shù)據(jù)總量就超過4200萬頁。這些數(shù)據(jù)將由人工智能評估。
從晶圓到產(chǎn)出芯片等成品，整個過程會經(jīng)歷700道工序，耗時10周時間。在新工廠里，晶圓的運輸過程實現(xiàn)了全面自動化，幾萬平方米的廠區(qū)之后會提供700個人工工位。當(dāng)然，據(jù)相關(guān)資料稱，12英寸晶圓加上裝載具后的重量，超出了人工運輸?shù)妮d荷極限，這或許是12英寸晶圓工廠需要高度自動化的原因之一。
作為眾多車企的一級供應(yīng)商，在智能網(wǎng)聯(lián)與“自動駕駛”對汽車芯片提出高要求與高需求的當(dāng)下，自建工廠是博世面向未來，并盡可能規(guī)避市場供需關(guān)系造成價格波動的最佳選擇。而生產(chǎn)12英寸晶圓，不僅能將晶圓單位面積的利潤和產(chǎn)能最大化，也為日后迎接更先進制程工藝埋下了伏筆。
寫在最后
汽車智能化、自動化的背后，是芯片、軟件等相關(guān)技術(shù)的持續(xù)加碼，與其說前段時間的芯片告急揭露了半導(dǎo)體行業(yè)的產(chǎn)能問題，倒不如說這恰好暴露了汽車芯片與電子產(chǎn)品CPU等元件的技術(shù)差異。把決定價格的話語權(quán)握在自己手里，這是傳統(tǒng)供應(yīng)商、主機廠都會想到的事情，而擁抱新技術(shù)與行業(yè)發(fā)展趨勢，或許是傳統(tǒng)之外新潮的方面。沒太看明白的話，琢磨一下便利店里貼自己牌子味道和某氣森林差不多的飲料，道理差不多。（文 汽車之家 馬一凡）