반도체 부족이 계속 악화되고 있습니다. 더 많이 만들 수 없는 이유는 무엇일까요?

 

 

칩 부족이 계속 악화되고 있습니다. 더 많이 만들 수 없는 이유는 무엇일까요?

반도체 부족으로 자동차 제조업체와 테크 대기업이 타격을 입어 워싱턴에서 브뤼셀, 베이징으로 경보를 울리고 있습니다. 왜 우리는 더 많은 칩을 만들 수 없습니까?

간단한 대답과 복잡한 대답이 있습니다. 간단한 버전은 칩을 만드는 것이 엄청나게 어렵고 점점 더 어려워진다는 것입니다.

"이것은 로켓 과학이 아닙니다. 훨씬 더 어렵습니다."업계의 내부 농담 중 하나입니다.

더 복잡한 대답은 반도체 제조 설비를 구축하는 데 수년이 걸리고 수십억 달러가 소요된다는 것입니다. 그리고 심지어 제조 전문성이 경쟁업체보다 약간 뒤쳐져 있다면 경제성이 매우 형편없기 때문에 손해를 볼 수 있습니다. 

전직 인텔 사장 크레이그 배럿은 마이크로프로세서를 인간이 만든 가장 복잡한 장치라고 말했습니다.

국가가 반도체 자급 자족을 달성하는 데 어려움을 겪는 이유입니다. 중국은 최근 5 개년 계획에서 칩 독립성을 국가 최우선 과제로 삼았고 조 바이든 미국 대통령은 국내 제조업을 부활시켜 안전한 미국 공급망을 구축하겠다고 약속했습니다. 유럽 ​​연합조차도 자체 칩을 만들기 위한 조치를 모색하고 있습니다. 그러나 성공은 보장되지 않습니다.

 

 

칩을 제조하는 데는 일반적으로 3 개월 이상 걸리며 거대한 공장, 먼지가 없는 방, 수백만 달러의 기계, 용융 주석 및 레이저가 필요합니다. 최종 목표는 평범한 모래에서 추출한 원소 인 실리콘 웨이퍼를 트랜지스터라고하는 수십억 개의 작은 스위치 네트워크로 변환하여 궁극적으로 전화, 컴퓨터, 자동차, 세탁기 또는 위성에 중요한 역할을 하는 회로의 기초를 형성하는 것입니다.

 

 

너무 작지만 너무 복잡합니다.
대부분의 칩은 소프트웨어를 실행하고 데이터를 조작하며 전자 장치의 기능을 제어하는 ​​회로 그룹입니다. 이러한 회로의 배열은 특정한 목적을 부여합니다. 아래는 Nvidia의 GeForce RTX 3090으로, 현재 컴퓨터 코드를 사실적인 비디오 게임 그래픽으로 바꾸는 데 최고입니다.

 

 

칩 회사는 더 많은 트랜지스터를 칩에 넣어 성능을 향상시키고 장치의 전력 효율성을 높이려고 합니다. 인텔의 첫 번째 마이크로 프로세서 인 4004는 1971 년에 출시되었으며 노드 크기가 10 미크론 또는 1 천만 분의 1 미터 인 트랜지스터 2,300 개만 포함했습니다. 그러나 다음 수십 년 동안 인텔의 확실한 리더십은 경쟁사 TSMC와 삼성이 더 나은 트랜지스터로 칩을 만들기 시작하면서 2015 년과 2020 년 사이에 끝났습니다. 5나노미터 또는 50억분의 1미터의 크기를 가진 칩이 되겠습니다. 참고로 인간의 평균 머리카락은 10만나노미터입니다.

 

 

진료실보다 깨끗합니다.
칩 제조 기계에 실리콘을 투입하기 전에 매우 깨끗한 방이 필요합니다. 개별 트랜지스터는 바이러스보다 몇 배 더 작습니다. 먼지 한 점만으로도 혼란을 일으키고 수백만 달러의 노력을 낭비 할 수 있습니다. 이러한 위험을 완화하기 위해 칩 제조업체는 본질적으로 먼지가 없는 방에 기계를 보관합니다.

 

이러한 환경을 유지하기 위해 공기가 지속적으로 필터링되고 매우 적은 인원만 들어오게 해야 합니다. 한 두 명 이상의 작업자가 칩 생산 라인에 나타나면 뭔가 잘못된 신호일 수 있습니다. 반도체 설계와 개발 뒤에 숨겨진 진짜 천재들은 수마일 떨어진 곳에서 일합니다.

 

이러한 모든 예방 조치에도 불구하고, 실리콘의 웨이퍼는 사람이 만지거나 공기에 노출될 수 없습니다. 그들은 천장의 선로를 달리는 로봇에 의해 운반된 카트리지에 담긴 기계 사이를 이동합니다. 카트리지가 기계 안에 있을 때만 이러한 카트리지의 안전에서 벗어날 수 있으며, 이 과정에서 중요한 단계가 필요합니다.

 

원자 수준 제조.
칩은 최대 100 개의 재료 층으로 구성됩니다. 이들은 증착 된 다음 부분적으로 제거되어 모든 작은 트랜지스터를 연결하는 복잡한 3 차원 구조를 형성합니다. 이 층 중 일부는 원자가 하나뿐입니다. Applied Materials와 Lam Research와 Tokyo Electron에서 만든 기계는 이를 위해 온도, 압력, 전기장 및 자기장과 같은 다양한 변수를 조정합니다.

 

프로세스에서 가장 어려운 부분 중 하나는 ASML Holding NV에서 만든 기계로 처리되는 리소그래피입니다. 이 회사의 장비는 빛을 사용하여 패턴을 실리콘에 증착 된 재료로 태웁니다. 이러한 패턴은 결국 트랜지스터가 됩니다. 이 모든 일은 아주 작은 규모로 처리되고 있습니다. 현재 작동 방법은 우주에서만 자연적으로 발생하는 극단적인 자외선을 사용하는 것입니다. 제어된 환경에서 이를 재현하기 위해 ASML 기계는 녹은 주석 방울을 레이저 펄스로 찍습니다. 금속이 증발하면서 필요한 EUV 빛을 방출합니다. 하지만 그것조차도 충분하지 않습니다. 더 얇은 파장으로 빛을 집중시키기 위해서는 거울이 필요합니다.

 

Chip plants run 24 hours a day, seven days a week. They do that for one reason: cost. Building an entry-level factory that produces 50,000 wafers per month costs about $15 billion. Most of this is spent on specialized equipment—a market that exceeded $60 billion in sales for the first time in 2020.

부담스러운 경제.

칩 공장은 하루 24 시간, 일주일 내내 가동됩니다. 한 가지 이유는 비용 때문입니다. 월 50,000 개의 웨이퍼를 생산하는 초급 공장을 짓는 데는 약 150 억 달러의 비용이 듭니다. 이 중 대부분은 특수 장비에 지출됩니다. 2020년 처음으로 매출 600 억 달러를 초과 한 시장입니다.

 

무거운 임무.
칩 제조에 사용되는 장비 매출은 2015 년 이후 두 배로 증가했습니다.

 

Intel, Samsung 및 TSMC가 이러한 투자의 대부분을 차지합니다.

그들의 공장은 더 발전되어 있으며 200 억 달러가 넘습니다. 올해 TSMC는 새로운 공장과 장비에 280 억 달러를 지출 할 것입니다. 미국 정부가 국내 칩 생산을 지원하는 법안을 통과시키려는 시도와 비교 해보세요. 이 법안은 5 년 동안 500억 달러에 불과합니다.

 

거대한 시설을 짓는 데 그 모든 돈을 쓰면 5 년 이내에 쓸모 없게 됩니다. 손실을 방지하기 위해 칩 제조업체는 각 공장에서 30억 달러의 수익을 창출해야 합니다. 그러나 이제는 대기업, 특히 작년에 1,880 억 달러의 매출을 올린 상위 3 대 기업 만이 여러 공장을 건설 할 수 있습니다.

 

Big-Fish 산업.
인텔과 삼성과 TSMC는 2020 년에 다음 12 개의 최대 칩 제조업체를 합친 것 만큼 많은 수익을 창출했습니다.

 

더 많이 할수록 더 잘 할 수 있어요. 생산량(폐기되지 않은 칩의 비율)이 핵심 조치입니다. 90% 미만이면 문제가 됩니다. 하지만 칩 제조업체들은 값비싼 교훈을 계속해서 반복해서 배우고 그 지식을 바탕으로 하여 그 수준을 넘어설 뿐입니다.

 

산업의 잔혹한 경제는 따라갈 수 있는 기업의 수를 줄여줍니다. 매년 출하되는 약 14억 대의 스마트폰 프로세서는 대부분 TSMC가 만듭니다. 인텔은 컴퓨터 프로세서 시장의 80%를 점유하고 있습니다. 메모리 칩은 삼성이 압도적으로 우세합니다. 중국을 포함한 다른 모든이들에게 쉽지 않습니다.