《华尔街日报》：你从未听说过的最重要科技公司，是计算机持续提速的关键推手

科技公司持续提供速度更快、性能更强计算机的方式，正在原子层面经历一场深刻变革。

过去数十年间，性能提升主要通过缩小微芯片上单个元件的尺寸实现——这常被描述为摩尔定律——而如今，材料科学的贡献日益显著，其发展速度达到了数十年来最快。总部位于圣克拉拉的应用材料公司成立于1967年，比英特尔还早一年，是引领这一变革浪潮中规模最大的企业。

这场变革源于必然。随着芯片某些特性现已达到仅几个原子大小的尺度，芯片制造商正面临元件微型化的物理极限。

因此，在这些微型机器中调控材料成分及其相互连接方式，已成为工程师持续提升设备速度与性能的主要途径。

应用材料公司及其竞争对手泛林集团、东京电子和科磊在不同程度上都属于材料科学企业。材料科学作为交叉学科，既涉及结构工程也涵盖化学工程，其核心在于研发新型复合材料及其创新应用方法。

应用材料公司还开创了新的制造工艺，并生产能将工艺应用于晶圆厂（即那些极其复杂且造价高昂的微芯片工厂）的设备。随着微芯片元件尺寸缩小，误差容限同步缩减，制造步骤成倍增加，每一代晶圆厂的建造成本呈十倍级增长。如今新建一座晶圆厂的投资已超过100亿美元。

这些正是根据《芯片法案》将获得巨额激励的同类型设施，该新法案旨在促进美国本土半导体制造，以降低对海外工厂关键芯片供应的依赖。

在应用材料公司的研究设施内，工程师们正探索提升未来芯片性能的新方法。应用材料及其竞争对手对数十年来追求芯片提速并不陌生。但随着摩尔定律的失效，他们在决定原子级芯片内部结构方面的专长变得比以往任何时候都更重要。

需要明确的是，工程师仍在缩小芯片特征尺寸——尽管速度远慢于历史常态。摩尔定律的任何延续迹象（毕竟芯片内部仍可缩减几个原子尺寸）主要归功于荷兰公司ASML。该公司制造的公交车大小、180吨重、极度复杂的设备，以前所未有的方式操控极紫外光。

下一步便是应用材料等公司的舞台：这些企业与芯片制造商及ASML等供应商紧密协作，实现芯片制造中其他关键步骤。

半导体行业权威咨询机构TechInsights高级研究员斯科特·琼斯指出，这是原子尺度的雕刻过程。通过逐层堆叠（某些层仅原子厚度）及纳米级化合物去除，构建出全球最先进的芯片。

随着二维硅晶圆上不同特征尺寸的制造工艺接近物理极限，芯片制造商开始转向第三维度——向上堆叠芯片。这意味着即使晶体管尺寸保持不变，通过将处理单元与内存、电源和通信模块垂直集成，芯片仍能实现更高速度和更强性能。

应用材料公司已突破原子级材料雕刻的技术边界。但在IBM从事微芯片制造三十余年、现任加州大学洛杉矶分校教授的苏布拉马尼安·艾耶指出：“三维芯片意味着制造复杂度呈指数级增长。”

这种复杂性可通过芯片布线层数直观体现。每层布线专门用于芯片不同部件间的电子通道传输，因此总层数直接反映芯片的立体化程度。

艾耶博士解释道：“90年代末，6层布线芯片代表最先进工艺。如今某些芯片已达到19至20层布线。”

若将微芯片比作建筑，昔日的平房已然演变为摩天大厦。

琼斯表示，芯片三维化程度越高，材料沉积与选择性蚀刻工艺就越关键——这正是应用材料公司及其竞争对手的核心技术领域。

要理解为何如此，关键在于认识到光刻技术——即通过掩模投射光线在芯片上绘制元件图案的工艺——本质上是一个二维过程。像ASML这样的光刻专业公司，能运用各种令人惊叹的技巧，使他们在硅片上绘制图案的光线精度不断逼近单个原子尺寸。

但在芯片上叠加一层又一层结构？这正是应用材料等材料科学与工程公司的专业领域和设备制造范畴。同样需要精妙化学工艺的，还有在光刻曝光后选择性蚀除硅片多余部分的技术。

以全球最先进的逻辑芯片为例。无论是手机、数据中心还是车辆中的尖端计算机，其核心处理器都属此类，它们在功能上与负责存储的芯片或实现无线通信的微型无线电芯片截然不同。

应用材料公司企业战略与发展主管特里斯坦·霍尔特姆表示，制造这样一颗逻辑芯片需要超过1500道独立工序。

TechInsights分析师琼斯指出，如此繁复的工序源于这些结构在三维空间的纵深发展。他补充道，每层结构都可能涉及多重制造步骤——用光线蚀刻电路图案、沉积原子级厚度的材料，或选择性去除多余材料。

例如，在最新工艺中，芯片制造商正在沉积纯硅附加层及掺入锗等元素的硅层。琼斯指出，该工艺中所有添加到芯片顶部的原子必须排列成完美晶格，才能确保形成晶体管部件的"水平纳米片"正常工作。尽管硅锗合金与纯硅性质极为相似，但必须在不损伤纯硅的前提下精确蚀刻掉硅锗部分——这项极具挑战性的任务对材料科学提出了更高要求。

所有工序都必须在绝对无尘的真空环境中完成。即使最微小的缺陷也可能导致芯片失效。

与此同时，所有重要芯片制造商——包括您熟知的英特尔、台积电和三星——都离不开应用材料公司等少数专注材料科学的企业的设备与技术专长。

面对芯片商对创新的迫切需求，应用材料公司正在硅谷现有园区旁新建40亿美元的研发中心。客户可在此试用新型芯片制造工艺，与应用材料同步开发最前沿技术。

应用材料公司霍尔特姆表示，此类设施至关重要。因为在硅基芯片领域持续突破边界，意味着要应对当前芯片制造业中"令人难以置信的复杂性"。

获取更多《华尔街日报》科技分析、评论、建议及头条新闻，请订阅我们的每周通讯。

应用材料公司企业战略与发展主管特里斯坦·霍尔特姆表示，芯片制造是一个"复杂到令人难以置信"的过程。联系克里斯托弗·米姆斯，请发送邮件至[email protected]

本文发表于2023年9月23日印刷版，标题为《操纵原子让你的手机更快》。