什么是IC，为什么会出现大规模的全球芯片短缺？

集成电路芯片是单个半导体晶圆上创建并连接在一起以实现通用功能的微小电子元件的集合;作为振荡器，逻辑门，放大器，定时器，计数器，计算机存储器或微处理器等。

IC是所有现代电子设备的基本组成部分。它由功能性微型电路组成，具有数百万个电阻器、电容器、二极管和晶体管。所有这些互连的组件形成了一个集成系统，该系统被制造成一个薄的半导体基板，通常是硅晶体。它有时被称为芯片或微芯片，根据其应用分为线性（模拟）或数字。

图1：集成电路芯片

在集成电路出现之前，计算机使用相对较大的真空管。基本的想法是获得一个完整的电路，及其所有组件和连接，并在一块硅的表面上以微观微小的形式重建整个事物。这是一个非常聪明的想法，它使我们今天使用的各种微电子小工具成为可能。

历史

1949年，德国物理学家和工程师Werner Jacobi开发了第一个已知的集成晶体管放大器，并将电子电路互连成单个设备的想法诞生了。当晶体管被发明时，每个晶体管都采用单独的塑料封装，每个电路由分立晶体管、电容器和电阻器组成。由于这些元件的大尺寸，早期的IC只能在电路板上容纳其中的几个 - 连接在一起。

1952年，英国无线电工程师杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）提议将各种标准电子元件集成到单片半导体晶体中。原型IC的专利于一年后的1953年由Harwick Johnson申请。之后，提出了几种芯片设计，其中晶体管可以共享一个共同的有源区域，但没有电气隔离来分离组件。1958年，当阻碍集成电路生产的根本问题得到解决时，出现了突破。1960年，第一个基于现代IC芯片的平面单片集成电路被证明。第一个单片IC芯片是由仙童半导体的Robert Noyce发明的。

结构

图2：IC基本结构

从外观上看，IC看起来像小黑芯片。在这个黑色芯片内部是半导体晶圆，铜和其他材料的复杂分层，它们相互连接以形成电路中的晶体管，电阻器或其他组件。这些晶圆的切割和成型组合称为芯片。IC本身很小，半导体晶圆和它所组成的铜层非常薄（在微尺度上）。各层之间的连接非常复杂。IC芯片是尽可能小的电路，太小而无法焊接或连接。为了更容易地连接IC，芯片被封装。IC封装封装了精致而微小的集成电路芯片，并将其变成我们熟悉的黑色芯片。

微芯片制造

虽然制作芯片是一个非常复杂和复杂的过程，但有六个一般步骤（有些重复不止一次）。以下是微芯片制造的简化步骤：

1. 晶圆生产：纯硅晶体被塑造成长圆柱体并切成薄晶圆，每个晶圆最终将被切割成许多芯片。
2. 掩蔽：将晶圆加热以涂覆二氧化硅。紫外线（蓝色）用于添加称为光刻胶的坚硬保护层。
3. 蚀刻：一种化学物质去除一些光刻胶，形成一个模板图案，显示n型和p型硅的所需区域。晶圆被标记成许多相同的正方形或矩形区域，每个区域将组成一个硅芯片。
4. 掺杂：蚀刻的晶圆用含有杂质的气体加热，以形成n型和p型硅的区域。然后，通过掺杂表面的不同区域，在每个芯片上产生数千，数百万或数十亿个组件，将它们变成n型或p型硅。随后可能会进行更多的遮罩和蚀刻。
5. 测试：长金属连接引线从计算机控制的试验机连接到每个芯片上的端子。任何不起作用的芯片都会被标记并拒绝。
6. 包装：所有工作的芯片都从晶圆中切出并封装成保护性塑料块，可用于计算机和其他电子设备。

由于单个芯片上有数百万或数十亿个组件，因此无法单独定位和连接每个组件。模具太小，无法焊接和连接。相反，设计人员使用专用编程语言来创建小型电路元件，并将它们组合在一起，以逐步增加芯片上元件的尺寸和密度，以满足应用要求。

图3：IC制造工艺

芯片上的每个外部连接都通过一小块金线连接到封装上的焊盘或引脚。引脚是IC上的银色挤压端子，它们继续连接到电路的其他部分。有许多不同类型的封装，每种封装都有独特的尺寸、安装类型和/或引脚数。

全球短缺

随着电子设备使用的蓬勃发展，对计算能力的需求比以往任何时候都要高。如今，数以百万计的设备依赖于计算机芯片。而现在，它们的数量还不足以满足行业需求。因此，许多受欢迎的产品供不应求。全球芯片短缺是一场持续的危机，其中对集成电路的需求大于供应，影响了许多行业，并导致消费者对需要半导体的产品的严重短缺和排队。自去年底以来，这场危机挤压了全球芯片制造商，让我们得以一瞥COVID-19大流行和地缘政治不确定性如何扭曲了高度全球化的半导体行业的供应链。

大流行造成的不确定性导致去年订单大幅波动。由于全球封锁，芯片生产设施被关闭，导致库存枯竭。此外，人们必须呆在家里并升级他们的电子设备，如网络摄像头，显示器和计算机，以便在家工作。在2020年第四季度，传统计算机销售额比上一年增长了约25%。

图4：半导体供应链示意图

这十年来，芯片制造和跟上技术进步的成本呈指数级增长，这使得先进制造业务集中在越来越少的玩家手中，成为最深口袋的稀缺领域，这个问题进一步放大了。与此同时，曾经像汽车这样的机械机器变得更加智能，更多地依赖于包括半导体在内的电子产品。汽车制造商不得不在2021年停止生产，Playstation和Xbox在商店中越来越难找到。汽车电子产品可能包括从显示器到车载系统的所有东西，到2030年将占汽车制造成本的近一半。

美国和中国之间的地缘政治紧张局势使后者更难向与美国有联系的公司出售产品。这迫使公司使用其他制造工厂，如台湾积体电路制造有限公司（TSMC）和三星。然而，这些公司已经以最大产能生产。台湾是全球半导体行业的领导者，但在2021年，他们经历了半个多世纪以来最严重的干旱，导致芯片制造商使用大量超纯水清洁工厂和晶圆的问题。

展望

极端的需求、有限的生产和运输的延误导致最终用户产品的短缺和更高的价格。芯片制造商正在通过增加产能来应对持续的需求。然而，这也需要时间和金钱。半导体工厂的建设成本高达数十亿美元，因此，推动全球IC产能建设肯定会将制造投资推向新高。关于短缺何时结束的意见各不相同。一些分析师认为，到2021年底，短缺问题将得到解决，但这仍然需要几乎整个2022年才能将供应提供给最终用户。未来几个月，需求可能会开始企稳，尽管可能需要两年时间才能让供应赶上需求并达到均衡。短缺可能会拖到2023年。

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