美国正在打造小型晶圆厂

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来源：内容来自半导体行业观察综合。

位于布鲁克林的美国新创公司Nanotronics 正在打造名为Cubefabs 的模组化晶圆厂，旨在透过小规模、高弹性与AI 自动化，重塑全球半导体制造格局。首座Cubefab 预计在18 个月内于纽约启用，总建厂时间不到一年，设置成本仅约3,000–4,000 万美元，远低于传统晶圆厂所需数十亿资本支出。

每座模组化厂房大小在2.5 万至6 万平方英尺（约7,700–1.85 万㎡）之间，由「中央主体（cube）」与多个「生产花瓣（petal）」组成，可按需扩充，每加一个petal，产能就增加而系统不停机。仅需37 人即可运营一座工厂，四座模组化厂合计约180 名操作人员，省去传统产线庞大人力成本。

Cubefabs 核心为AI 驱动的制程智能监控系统，建于Nanotronics 自行开发的defect?detection 检测工具之上。利用导入Nvidia GPU 的AI 模组，工厂能实时监测制程数据，自适应调整温控与机台参数，大幅提升良率与产能。

Nanotronics 以制造功率元件为切入点，首批产品包括高压power switch 与用于资料中心与电动车的电力逆变器晶片，采用氧化镓（gallium oxide）与碳化硅等宽能隙材料，特性比传统硅材质更适合高效应用。

美国正在崛起的新晶圆厂

在布鲁克林海军造船厂（曾是纽约市造船业的中心）的一栋经过改造的建筑内，初创公司 Nanotronics 正在制定下一代芯片制造设施的计划。

该公司雄心勃勃的核心是所谓的“Cubefab”，这是一个模块化芯片制造设施，捆绑了人工智能驱动的软件，可以运输到任何地方并在现场组装。这家成立 14 年的公司表示，Cubefab 可以在一年内建成并投入运营，几乎可以在任何地点生产半导体。

Nanotronics 已从包括 Peter Thiel 的 Founders Fund 和英特尔已故联合创始人 Gordon Moore 在内的投资者那里筹集了约 1.62 亿美元，今年将向中东的一位客户交付其首台 Cubefab，目标是在 2025 年之前投入运营。

“能够形成完整的供应链闭环至关重要，”该公司联合创始人兼首席执行官马修·普特曼 (Matthew Putman) 表示。“这样你就能把芯片送到你需要的地方。”

由于全球芯片产能已达到极限，新建生产设施的竞争已拉开帷幕。制造芯片的制造工厂（或称晶圆厂）规模庞大，需要耗费数年时间、数十亿美元以及数百英亩甚至更多的土地才能建成。

Nanotronics 的立方体晶圆厂 (Cubefabs) 仅占地两英亩，或许是启动芯片制造的一种途径——尤其是在美国，美国正斥资数十亿美元来巩固国内制造业并保障芯片供应。该公司以及已经获得资金在美国建设芯片工厂的芯片制造商，可能成为近 530 亿美元《芯片保护与信息与通信技术法案》(CHIPS Act) 资助的受益者。

Cubefabs建成后，可能成为美国首批用于商业用途的预制半导体晶圆厂。Forrester分析师Glenn O’Donnell表示：“建造一座小型晶圆厂的成本和时间相对较短。”

Putman表示，小型芯片晶圆厂还能让研究机构、大学和企业在附近进行芯片制造。

虽然 Nanotronics 尚未获得美国客户，但所有设计和科研工作均在其位于布鲁克林海军造船厂的总部进行。该造船厂是一座天花板接近 70 英尺（约 21 米）的建筑群，建于美国内战末期，用于造船。

Nanotronics 由普特曼和他的父亲约翰于 2010 年在俄亥俄州创立，最初致力于制造人工智能显微镜和机器人，用于扫描和发现航空航天、汽车和半导体设备中的缺陷。该公司表示，检测系统是其业务的主要部分，目前已有超过 200 个客户安装了该系统。

普特曼表示，2020 年，Nanotronics 从海军造船厂内一个共享的跨学科空间“新实验室”搬迁至其自有的 45,000 平方英尺（约 4300 平方米）的 20 号楼，该楼由纽约建筑公司 Rogers Partners 使用预制部件进行了改造。

该公司表示，该建筑仍然保留着造船时代的横梁，曾经用于为船舶提供铁质装甲，以及运输船舶和潜艇的大型机械部件。

Nanotronics 的晶圆厂专为生产专用电源芯片而设计，而非像台积电这样的大型晶圆厂生产的先进图形处理器 (GPU) 和其他微处理器。

Putman 表示，Cubefabs 工厂将主要生产数据中心的电力路由交换机（这些交换机是维持数据中心设施内人工智能电力供应所必需的），以及电动汽车的电源逆变器。

Forrester 的 O’Donnell 表示，这类芯片就像半导体中“丑陋的继子”。它们需求旺盛，应用范围广泛，但尚未像微处理器或 GPU 那样受到广泛关注。

Putman 表示，Nanotronics 的晶圆厂面积约为 1,715 平方米，四个独立的晶圆厂以四叶草的形式排列，构成一个 Cubefab，中心是一个服务立方体，里面设有行政办公室、员工区和公共设施入口。一个包含四座晶圆厂的Cubefab占地7,510平方米，最多需要10英亩的土地。

Nanotronics的每座晶圆厂都拥有两个所谓的洁净室，即用于生产制造的无尘空间，造价约为2,000万美元。Nanotronics表示，每个洁净室面积约为172平方米，由涂层铝等静电放电防护材料制成。这些模块化晶圆厂部件大部分由结构钢管和波纹钢包层组成，可以装入平板卡车或40英尺长的集装箱。

中央服务立方体包含少量可运行基于AI软件的Nvidia GPU。“从半导体芯片本身的开发到封装，所有工作都在这些晶圆厂完成，”Putman说道。

Putman 表示，人工智能是 Cubefab 运营的关键要素——它实现了大部分复杂工艺工程的自动化，而这些工程原本需要大约一百名高技能工人才能完成。“我们可以将 Cubefab 建在没有半导体基础设施的地区，并使其快速投入运营。”

得益于人工智能，一个晶圆厂只需三十几名具备工厂经验的工人即可在新地点运营。该公司表示，一个拥有四座晶圆厂的工厂最多需要 174 名工人。

人工智能能够动态审查制造流程，并在此过程中对温度和其他因素进行修正。“晶圆生产出来时，”他说道，“上面没有任何缺陷。”

芯片本身由碳化硅和氧化镓等材料组合而成。氧化镓是一种可以在微芯片上进行图案化的半导体材料，但尚未实现商业规模化生产。Putman 表示，现在的关键区别在于，人工智能已经成熟，能够实现氧化镓基芯片生产的“闭环”。

几十年来，科学家们一直在研究替代硅或与硅协同作用的材料，例如过渡金属二硫化物。氧化镓的热性能使其比硅更节能，非常适合电动汽车或发电站等应用。

麦肯锡高级合伙人比尔·怀斯曼 (Bill Wiseman) 表示，虽然预制方法在台湾和韩国的晶圆厂建设中很常见，但在美国却并不常见。美国的晶圆厂往往是定制化的，节省的劳动力成本通常会被物流成本抵消。波士顿咨询集团董事总经理兼合伙人高拉夫·坦贝 (Gaurav Tembey) 表示，对于目前建造的大多数晶圆厂而言，建设成本仅占总成本的 20% 左右。

然而，选址仍可能具有挑战性。Forrester 的奥唐纳 (O’Donnell) 表示，存在将化学品引入现场环境的问题，这要求客户遵守当地法规。

Nanotronics 首席运营官詹姆斯·威廉姆斯 (James Williams) 表示，公司已指导客户选择立方体晶圆厂 (Cubefab) 的最佳位置，该位置电力和水源供应稳定。立方体晶圆厂平均每天需要 800 加仑水。一座晶圆厂的用电量为 2.7 兆瓦，四座晶圆厂则需要 8.7 兆瓦。

普特曼表示，在将部件发货并为当地操作员提供初步培训后，客户会向 Nanotronics 支付一定费用，以使用其硬件和基于人工智能的软件。该公司表示，根据传感器流的数量和数据量，其人工智能套件的价格在 40 万至 300 万美元之间。该公司还与客户采用收益分成模式，并专注于在非洲和全球南部地区部署立方体工厂 (Cubefab)。

“我喜欢对立方体工厂所能制造的一切抱有远大的梦想，”普特曼说，“并将其作为未来生产方式的典范。”

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4091期内容，欢迎关注。

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