是什么让半导体如此重要?

国际金属加工网 2021年07月21日

2019 年 2 月,也就是疫情爆发的前一年,SIA(美国半导体行业协会)宣布,仅 2018 年一年,芯片的销量就创下了“超过 1 万亿颗”的记录。华尔街日报最近的一份报告指出,半导体是世界第四大贸易产品,仅次于原油、成品油和汽车

紧随其后的是美国总统拜登将芯片明确称为“基础设施”的声明,证实了需求量很大的半导体芯片是新的通用货币这一事实并无歧义。它们执行数百万次复杂操作的能力及其能源效率使半导体成为几乎每个行业的关键组成部分,推动了全球经济。

如今,一部智能手机的计算能力远远超过美国宇航局 1969 年将人类送上月球所使用的计算机。更重要的是,几乎所有的新兴技术,如人工智能、云计算、量子计算、先进的无线网络、区块链应用、比特币挖矿、5G、物联网、自动驾驶汽车、无人机机器人、游戏和可穿戴设备都由这些离散技术驱动。但高度复杂的半导体。根据 Juniper Research 的最新报告,仅物联网设备的数量,到 2021 年底就将达到 460 亿。这些设备中的每一个都将由半导体供电。

半导体对于电子和制造业、农业、医疗保健、基础设施、娱乐、电信、运输、能源管理、军事系统和航天等领域的高计算应用至关重要。

多个行业的支柱

从最重要的医疗保健开始——半导体是临床诊断、治疗和康复后干预应用不可或缺的一部分。诸如磁共振成像 (MRI) 机器、起搏器、血压监测器、血气分析仪、无线患者监护仪和呼吸机等半导体设备每天都在挽救生命。通过使用支持芯片的机器人手术系统,一些手术程序正在发生革命性的变化。

仅就 Covid 护理而言,测试设备、氧气监测器和几乎所有生命支持系统都依赖于半导体。此外,跨国家分发疫苗、获得基于应用程序的认证、无人机运送生命支持药物、向 Covid 作战室提供稳定的数据流——这些都依赖于硅晶片。

市场研究预测表明,网络集成无线医疗保健设备、可穿戴设备和器官的 3D 打印以及搭载半导体的医疗设备将成为确保未来提供新的和创造性的医疗保健方式的关键因素。2020年全球汽车半导体市场规模为481.3亿美元,预计到2026年将达到1291.7亿美元。

汽车制造商正在整合需要具有卓越可靠性的功率二极管和稳压器的汽车电气系统。具有不同功能的汽车半导体 IC 用于各种汽车产品,例如导航控制、信息娱乐系统和碰撞检测系统。一辆现代互联的自动驾驶汽车可以轻松拥有 3,000 多个具有最新技术功能的芯片。在当前大流行强制“远程一切”的情况下——无论是商务、学习、娱乐还是与朋友和家人的交流,半导体支撑着维护通信网络所需的技术基础设施,而不是传统的实体环境。

在这次大流行期间,借助数字、半导体驱动的设备和技术,组织能够顺利地将其运营转移到网上,并允许个人不受干扰地远程安全工作。这种数字化转型为半导体行业开辟了一个充满机遇的新世界

芯片上的“游乐设施”

新兴技术,尤其是物联网、人工智能、增强现实和扩展现实以及区块链在各行各业中越来越突出。随着这些应用在各个领域获得越来越多的关注,对专用传感器、集成电路、改进的内存和增强的处理器的需求正在增加。

世界各地的许多智慧城市都致力于为其公民大幅改善城市服务和关键的公民基础设施。为此,他们需要将市政基础设施的几乎所有方面与各种设备连接起来,而这些设备又将与个人相连。这种相互连接的基础设施将由半导体供电。

第 5 代移动网络旨在连接几乎所有人和所有事物,即机器、物体和设备;提供峰值数据速度;实现超低延迟;更高的可靠性;海量网络容量;更高的可用性和更统一的用户体验。作为这一下一代技术的核心,具有更小节点和更高效率的尖端半导体芯片将提供关键、快速、高性能的计算。

半导体技术的进步

中低端和中高端集成电路 (IC) 制造之间的分界线是 12/16 nm和 7 nm制程技术。它们用于中央处理单元、图形处理单元、人工智能等应用以及电视、空调、汽车、高速列车、卫星、工业机器人、电梯和无人机等产品。

半导体技术的进步见证了 5 nm技术的推出,该技术比前几代芯片更小、速度更快。

IBM 最近推出了世界上第一个 2 nm芯片制造技术(比当今许多笔记本电脑和手机中使用的主流 7 纳米芯片快 45%,能效提高 75%) ,该行业正在寻求在未来解锁更高的性能和能源效率。

芯片生产复杂

芯片生产本身是一个复杂的过程,涉及多个国家/地区的依赖关系。从芯片设计到采购基本原材料,再到为不同行业定制的半导体的制造、组装、测试、封装、存储和最终交付,该过程可能涉及 1000 多个步骤和 70 个国家边境口岸。目前,执行从 alpha 到 omega 的专有技术和能力取决于专业的全球领导者,如英特尔、台积电和三星以及其他一些公司。

在当前的全球形势下,美国凭借其世界一流的大学和工程人才以及市场驱动的创新生态系统,提供了大部分研发密集型活动,如电子设计自动化、核心知识产权、芯片设计以及先进的制造设备和资金投入。

中国台湾、中国大陆和韩国等地区在晶圆制造、需要大量资本投资的功能、强大的基础设施和熟练的人力方面处于领先地位。台湾地区也是半导体组装、封装和测试功能的领导者,紧随其后的是中国大陆和马来西亚,这些服务的技能和资本密集度相对较低。

全球芯片危机

COVID-19 危机导致全球芯片普遍短缺,引发了全球半导体供应链中的漏洞,许多对我们日常生活至关重要的技术和产品已面临风险。

造成这种短缺的主要原因包括前几年对晶圆产能的投资不足、Covid-19 大流行导致供应链中断、人工智能和电动汽车等新技术的需求不断增加以及对在家工作 (WFH) 产品的需求增加。

除此之外,还有台湾地区的干旱(世界上一些最大和最先进的高科技铸造厂的水资源配给依赖于用水密集型制造工艺)以及与中国大陆贸易方面的地缘政治不确定性不断增加。

前进的道路

好消息是,台积电、英特尔、格芯等几家代工厂正在投资数十亿美元升级设备和建设新生产线,以满足需求激增和供应短缺的“功能-丰富”的芯片。

台积电最近公布了该行业有史以来最大的投资,在未来三年内拨款 1000 亿美元以提高产能。英特尔公司承诺为亚利桑那州的两个站点提供 200 亿美元,并表示今年将有进一步的投资承诺。到 2030 年,韩国三星电子公司已拨出 1160 亿美元的投资,以实现芯片生产的多元化。

作为其“印度制造”计划的一部分,印度也在敲定大规模制造半导体芯片的计划。该国向在该国设立制造单位的每家半导体公司提供超过 10 亿美元的现金。本地制造的芯片将被指定为“可信来源”,可用于从闭路电视摄像机到 5G 设备的产品。去年 12 月,印度邀请芯片制造商就在该国设立制造单位或收购此类制造单位提出“兴趣表达”。

这一切都是为了实现半导体制造的自给自足,确保更好地控制数据安全,防止世界各国被现有半导体供应链的特定成员勒索赎金。

很明显,半导体正在改变我们现代、快速发展的世界的游戏规则。很明显,半导体行业面临着新的挑战。更明确的是,目前世界各国政府都处于危机管理模式,在不久的将来,半导体将在大多数国家获得“关键基础设施”的地位。

(来源:内容编译自「indiatoday」)

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