自新冠疫情开始以来，我们已经看到包括肉类、卫生纸和半导体芯片等在内的供应链问题，以及供应链控制的各种各样的“东西”。尽管人们不再热衷于囤积卫生纸，但如果您最近几年去买过芯片，例如 ATtiny 系列芯片，供应往往有限或根本没有。为解决这个问题，美国正在努力增加半导体制造。
在本文中，我们将探讨半导体生产中涉及的内容，并简要介绍扩大美国半导体制造业所需的智能工厂技术。虽然提高芯片产量不是一项简单的任务，但美国已经拥有可观的产能和半导体生产经验，不会从零开始。
半导体智能工厂 – 一台集成式机器
传统大规模制造的一般理念是，产品从一个工序传递到另一个工序。功能是逐步独立添加的。与许多其他现代智能工厂一样，芯片制造厂（简称“晶圆厂”）更像一台集成式机器，而不是一系列独立的操作。这本身就代表一笔巨大的资本支出。事实上，在半导体生产过程中，在制硅晶片在工厂内不是由人运输，而是由 FOUPS（前端开启式晶圆传送盒），在高架轨道系统上从一点滑动到另一点。
晶圆厂除了是一个集成系统外，还是一个洁净室环境，粉尘含量远低于手术室。这种环境是至关重要的，因为正在加工中的晶圆上，即使是一点灰尘也可能将其毁掉。大量的过程自动化不仅意味着劳动力成本的节约，而且还意味着在加工过程中不经意间掉下（令人讨厌的）大量颗粒的人数会更少。
维持这种环境的资本设备、处理大量电力需求的变压器，甚至工艺用水管道都必须考虑在内。然而，所有这些基础设施的支持点都这一过程的核心：一系列令人瞩目的紫外线光刻机，它们可在一个硅片上形成数十亿个晶体管。这种 UV 光刻机大约有一辆公共汽车那么大，可能是有史以来最复杂的机器。
极紫外光刻技术 – 关键的半导体生产技术
Intel、TSMC 和三星等制造商生产的芯片对从汽车到手机的一切都至关重要。然而，制造世界上最先进的芯片所需的机器来自一个地方，那就是位于荷兰的 ASML。 ASML，曾经代表先进半导体材料光刻技术，现在已经正式超越这一缩写的地位。该公司制造极紫外光刻机，对制造全球最先进的半导体至关重要。Intel、TSMC 和三星的最新工艺可以在 1 平方毫米的面积内安装大约 1 亿个晶体管，这绝对是一个惊人的数字。
ASML 的未来与 EUV 机器
虽然更成熟的主力芯片可以使用较旧的非 EUV 技术（鉴于很难找到许多 EUV 设备，非 EUV 技术也应该予以考虑），但对于尖端晶圆厂，ASML 是世界上唯一的选择。他们的 EUV 技术历经多年研发，耗资 90 亿美元。这项工程的规模如此浩大，以至于 Intel、三星和 TSMC 都购买了该公司的股份来支持 EUV 的发展。尽管风险很大，但这项投资已经使世界能够以更小的规模制造芯片，而且 ASML 的价值近年来也大幅跃升。事实上，它可能最终成为欧洲第一家万亿美元的公司。
长话短说，任何希望在美国或其他地方扩大最先进芯片生产的晶圆厂，都需要获得 9-18 台这样的 EUV 机器，每台的价格大约为 1.5 亿美元。仅一家工厂的 EUV 机器就可高达 30 亿美元范围。令这一成本再攀高峰的是，下一代 EUV 机器的成本预计将“大大”超过 3.4 亿美元。用整数计算，如果每一台机器最终是 5 亿美元，一家工厂需要 20 台，那么一个晶圆厂就需要 100 亿美元。
随着更先进的 EUV 机器的生产，这一数字可能会下降，但无论事情如何发展，一家先进晶圆厂的成本都高达数十亿美元。同时，如果一家工厂是一台集成式机器，那么 EUV 只是庞大的机器操作的一个方面。100 亿美元的尖端半导体生产设施似乎只是一个起点。
为半导体智能工厂供货
我们认为晶圆厂是为其他行业提供部件（即芯片）的供应商，但务必要记住，它们也依赖于持续的材料和组件供应来推动其流程。这包括从电力和水到消耗品甚至卫生纸的一切。然而，如果 EUV 机器是工艺的核心，那么形成晶体管的硅晶圆就是工厂的氧气，由 FOUP“血细胞”泵送到晶圆厂的身体各处。
从以美国为中心的角度来看，好消息是美国已经生产大量可以供应给晶圆厂的硅片。与此同时，随着产量的增加，甚至可能需要更多的原始硅片，并且其他持续的晶圆厂需求也必须加以考虑和采购。尽管具有挑战性，但无论是从供应安全的角度，还是从直接和辅助性就业岗位对经济产生的连锁反应来看，扩大芯片生产都会带来巨大的回报。
缩短供应链…能否消除？
虽然美国可能很难重新夺回其作为世界主要芯片制造商的地位，但也并不像一些人想象的那样落后。但是，美国在技术上完全自给自足的任何梦想似乎都是近期难以实现的幻想。即使美国将所有的芯片制造转移到国内，总部位于荷兰的 ASML 也是制造世界上最先进芯片的唯一设备供应商，它依赖于总部位于美国的子公司 Cymer 为其机器提供先进的激光器，而这两家公司…无疑都依赖于其他国家/地区、公司和人才为其工艺提供组件和专业技术。
提高美国的芯片制造是一项艰巨的任务，但可以产生广泛的利益。与此同时，在当今相互关联的世界中，在可预见的未来，每个国家/地区都将不得不依赖在地理方面广泛分布的供应链。让我们尽可能做最坏的打算，但努力与其他国家/地区保持友好关系。只有到那时，我们才能共同努力，防止 2020 年以来我们看到的这类中断事件。
