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這家公司，計劃顛覆傳統晶圓廠
為了滿足世界對晶片日益增長的需求，一家新創公司希望用一種更靈活、更便宜的想法顛覆成本高昂的半導體製造工廠，他們相信這種想法可以更快地將晶片製造擴展到我們使用的幾乎所有東西：一家支援人工智慧的晶片工廠，可以使用預製件進行模組化組裝和擴展，例如高科技樂高積木。」
「我們正在使半導體工廠的所有權民主化，」Nanotronics的創始人兼CEO馬修·普特曼（Matthew Putman）在談到晶片製造工廠時說道。
據介紹，其名為Cubefabs 的新系統將其模組化檢查工具和其他設備與人工智慧相結合，允許擬建的晶片工廠進行自我監控並進行相應調整——這是普特曼所說的「自主人工智慧工廠」的一部分。普特曼說，該設施的大部分可以預先組裝、平板包裝並放入貨櫃中，這樣這些設施就可以在「世界80% 的地方」建造。
最終，該公司設想在世界各地建造數百座花形工廠，從紐約或科威特的原型工廠開始，希望在今年年底前開始建造。
「從第一天起，這就是我的夢想，」普特曼說。他擁有應用數學和物理學博士學位，8 歲時就開始在父母的製造公司從事科技工作。他的父親約翰「早在1982 年就在工廠車間放置了第一台個人電腦，」他說。還需要四年的時間，以及正確的技術和地緣政治利益的融合，像Cubefabs 這樣的東西才有意義。「這只能現在發生，」普特曼補充道。
全球對晶片的依賴從未如此明顯，光是美國的晶圓廠建設就激增了數千億美元——這得益於2022 年《晶片和科學法案》以及全球各地類似激勵措施的推動，更不用說對最先進晶片的地緣政治焦慮日益加劇。儘管最近半導體需求有所放緩，但全球對晶片的需求預計將在2030年較之2019年翻倍。與此同時，製造它們的成本正在飆升。摩爾定律指出，積體電路中電晶體的數量每兩年就會增加一倍；洛克定律據說晶片製造廠的成本每四年就會翻倍。
透過利用Nanotronics 在材料和自動化以及預製建築方面的專業知識，並透過標準化和縮小工廠規模，普特曼找到了一種顛覆流行範式的方法，這種範式鼓吹單一的一刀切的經濟性追求。「如果你能在很多地方快速建立很多小工廠，你就能更快地實現規模化，」他說。
與建築師Rogers Partners 和Arup 合作設計，每個Cubefab 看起來都像賽博朋克三葉草，中心有一個服務「立方體」和模組化工廠，每個工廠可容納兩個潔淨室，像葉子一樣向外延伸。這些是小型晶圓廠——業內稱為奈米晶圓廠——每月能夠啟動數百個晶圓；台積電正在亞利桑那州建造一座巨型晶圓廠，在經歷多次延誤和成本超支後，其目標是2025 年全面投產時每月投產20,000 片晶圓。
Nanotronics 表示，單一Cubefab 安裝可以從一英畝的單一晶圓廠開始，然後發展到四個晶圓廠、六英畝的佔地面積。該公司表示，每座晶圓廠可在一年內建成，四座晶圓廠的安裝成本估計不到1 億美元。Nanotronics 拒絕透露為該項目籌集了多少資金，但Putman 表示，該公司此前已從投資者那裡籌集了1.7 億美元，其中包括Peter Thiel 和Skype 聯合創始人Jann Tallin。
Putman 表示，除了一位未透露姓名的科威特客戶外，Nanotronics 正在討論與汽車製造商和工業公司建立合作夥伴關係的可能性，並瞄準了中東、德國、西班牙和美國三個州的業務。他說，其潛在客戶是「任何想要垂直整合的公司」。
全球下一代晶片的生產方式和地點已成為一個懸而未決的問題，但重塑一個價值5000 億美元的產業並不容易。半導體是為您正在閱讀本文的設備提供動力的先進晶片的基礎，也是最強大的人工智慧系統的基礎，也是對廣大用戶（包括不斷發展的可再生能源產業）至關重要的更基本晶片的基礎。雖然它們是在美國發明的，但動蕩的市場對效率的不懈需求已將大部分半導體生產推向東亞，最先進的晶片僅由台積電在台灣生產，台積電目前是世界上最有價值的半導體製造商。
各國政府和晶片公司一直在尋求亞洲以外的供應鏈多元化，但建造新工廠的成本，尤其是在美國和歐洲，令人瞠目結舌。《CHIPS 法案》包括在五年內向美國晶片製造商提供390 億美元的直接補貼，但這僅略高於最大晶片公司之一一年的資本支出。
普特曼指出，台積電和美光正在亞利桑那州和紐約州北部建造巨型晶圓廠，包括英特爾、格羅方德、德州儀器和三星代工等眾多在建美國晶圓廠。「它們需要五年的時間才能建成，它們非常巨大，佔據了整個街區，基礎設施也非常龐大，」他說。“如果建造晶圓廠的成本成倍增加，你就無法跟上摩爾定律。”
儘管人工智慧晶片受到了所有關注（和製裁），但世界越來越渴望更通用的晶片，這些晶片用於從LED 和雷射到汽車、手機充電器和有助於推動人工智慧的資料中心等各個領域。福特今年稍早表示，由於無法購買足夠的晶片，導致季度銷量減少10 萬輛。
Cubefabs 最初將在中等尺寸的200 毫米晶圓上建造此類高功率後緣設備。Cubefabs 將生產所謂的化合物半導體，而不是矽基晶片，使用更新的基板氧化鎵，這有望提高製造效率和更堅固、節能的設備。普特曼表示，其中包括“需求旺盛、供應短缺或之前尚未優化的專用晶片，因此它們的成本效益不高。”
生產此類新型晶片的預製奈米工廠系統可以幫助公司或學術實驗室更好地控制其供應鏈，使他們能夠根據需求更快地調整供應，並使自己免受頻繁衝擊和短缺的市場影響。早期量子計算公司MagiQ Technologies 的創辦人兼董事長兼風險投資者 Bob Gelfond 表示：「Cubefabs能讓這個過程更快、更便宜、更有效率，從而可以更快地調整數字，隨著需求的減弱減少或增加供應。”
在美國能源部太平洋西北國家實驗室研究半導體的國家安全顧問約翰·韋爾韋(John VerWey) 表示，能夠以相對較小的規模製造各種晶片，這與當前流行的晶片製造生態系統背道而馳，但這當然是有必要的。
VerWey 估計目前美國約有150 到200 個這樣的奈米加工設施，其中大部分位於大學研究實驗室內。能夠生產更多商業用途精品晶片的設施可以對供應鏈安全產生積極影響，並可以幫助更快地製作原型設備，幫助彌合基礎研究和應用研究與實際應用之間的差距。他說：“長期以來，人們對如何以經濟實惠的方式運行此類奈米工廠的前景感到興奮。”
每個Cubefabs 將以特許經營模式出售，Nanotronics 協調供應和預製，根據所有者的需求安裝晶圓廠，提供服務和監控，並收取許可費以及晶圓廠產出的收入份額。這個想法有助於Nanotronics 充分利用該項目，並減輕客戶的財務和技能負擔，「這使他們能夠做到這一點，」該公司財務長Alice Globus 說。“這讓我們始終參與其中，而無需擁有晶圓廠本身。”
「我們認為這是一個可交付成果，」普特曼說。“我們以前交付儀器的方式，但現在我們正在交付整個晶圓廠。”
Im Patient Ventures 的創辦人兼Cubefabs 投資者Jack Dreifuss 表示，如果Nanotronics 能夠兌現其承諾，它將成為「美國最重要的公司之一，世界上最重要的公司之一」。
「如果他們能夠以這樣的成本，利用這些資源，以這樣的效率，為半導體晶片這樣複雜的東西建造這些設施，那麼，這將從根本上顛覆所有製造業。透過人工智慧、機器人、基礎設施、電腦視覺和材料的正確組合，Cubefabs 可以用來製造「坦率地說，幾乎所有其他東西」。
這仍然是一個很大的如果。為了挑戰現有的半導體經濟學定律，Nanotronics 仍然需要證明它可以將一系列想法和技術整合到一個可行的系統中。要實現這一目標，不僅需要預製晶圓廠所需的許多組件和管道，還需要與潛在的數十個合作夥伴合作，採購晶片製造所需的其他機械：沉積、塗層、光刻、清潔和其他工具，以及導航晶圓廠建設的環境和監管複雜性。
建造一座晶圓廠並安裝其所有複雜部件，尤其是在美國，往往比預期更複雜、成本更高。VerWay 表示：“建造晶圓廠外殼並建立適當的結構很簡單，但困難的部分是與參與供應鏈的每個人合作。”
對普特曼來說，機器人工廠網路的概念是一個夢想，可以追溯到他童年時對《星際爭霸戰》的痴迷，但直到Nanotronics 組裝了自己的製造設施後，這個夢想才開始變得可行。2019 年，該公司開始使用預製鋼材和交叉層壓木材，將布魯克林海軍造船廠的一座大型前造船廠改建為新總部。這座佔地44,000 平方英尺的設施的第一部分由Rogers Partners 設計，從破土動工僅用了九個月的時間。「因此我們相信預製是可以透過這種方式實現的，」普特曼說。
為了開始勾勒Cubefabs 的想法，Nanotronics 聘請了Rogers 和Arup 尋求設計和氣候研究方面的幫助，這些研究可以確定適合各種氣候的工廠設計，從炎熱的中東沙漠到寒冷的紐約州北部。內部設計團隊完善了基礎設施計劃，以便滿足全球各地的各種建築規範和監管環境，而工程師則開始研究硬體和機器學習軟體的新組合。
大型晶片工廠已經高度自動化，但普特曼認為，更小型、更容易建造的工廠的自動化為缺乏熟練工人的地方帶來了機會。熟練晶片工人的短缺現象普遍存在，甚至在美國各地，台積電在7 月份推遲了其位於亞利桑那州價值120 億美元的工廠的開業，因為它表示找不到足夠的熟練工人來安裝晶圓廠的設備；最近，該公司表示該工廠一半的員工將需要來自台灣。
一個自動化Cubefab 只需要大約30 人即可操作，「而且他們不必是半導體專家，」普特曼說。“人工智慧消除了晶圓廠通常需要的專業需求。”
他希望這種自動化還可以幫助那些擁有更專業技能的人花更多的時間發明晶片而不是檢查它們。「這些富有創造力的人應該從事下一代材料和設備所需的設計和其他工作，」他說。
Cubefabs 駐科威特投資者Anwaar AlMahmeed 表示，小規模晶片製造自動化在中東和其他晶片製造仍處於萌芽階段的地區尤其有吸引力。她說，想想SpaceX 對商業航太產業的推動吧。“這很令人興奮，因為你讓更多能夠帶來不同觀點和不同優勢的人加入。這意味著你將會有更多的創新。”
選擇尚未商業化作為晶片基板的氧化鎵可能會帶來另一個挑戰。普特曼表示，這項決定是公司為自己設定的一系列限制的結果，包括能夠將晶圓廠安裝到小型、適應性強的預製設計中，以及「我們知道這些限制是世界上的問題」。
氧化鎵比其他化合物半導體效率更高，效率比矽高出約五倍，這也可以減輕重量並減少電池磨損。它可以承受高溫，這也使其用途更加廣泛。鎵還可以大量生長，並且對製造和資源的需求較少，例如不需要超純水。「對於氧化鎵，我們不會使用那麼多的氣體和材料，也不會產生同樣的廢物，」普特曼說。“這只是一個十二步的過程，而不是數百步。”
化合物半導體的缺點是它們很容易出現缺陷。普特曼說，這就是人工智慧至關重要的地方。此外，來自Cubefabs 網路的數據可以幫助平衡產能並改善每個工廠的運作。「我們擁有的越多，每個設施就會越好。它是一個不斷進化的有機體。
普特曼還希望自動化將有助於進一步減少這個眾所周知的資源密集型行業對環境的影響，該行業每年產生數千噸廢物，其中大部分是危險的。「因為人工智慧可以在製造之前修復材料和設備，所以最終材料的浪費會減少，」他說。
Globus 承認，與施工和採購相關的挑戰在一開始是不可避免的，但她對Nanotronics 管理廣泛的供應商和承包商的能力充滿信心。“我們正在與專家合作，他們已經為其他類型的應用程式執行過數千次這樣的操作。”
儘管面臨挑戰，但冒險是值得的。「很少有技術能夠改變世界，但我認為現在我們正處於變革的風口浪尖，」她說。“我認為三年後，世界將完全不同。”
「而且，我們需要一年的時間來建造Cubefab！」普特曼補充道。（半導體產業觀察）
參考連結
https://www.fastcompany.com/90962875/nanotronics-cubefabs-prefab-chip-factories