这家公司，计划颠覆传统晶圆厂

为了满足世界对芯片日益增长的需求，一家初创公司希望用一种更灵活、更便宜的想法颠覆成本高昂的半导体制造工厂，他们相信这种想法可以更快地将芯片制造扩展到我们使用的几乎所有东西中：一家支持人工智能的芯片工厂，可以使用预制件进行模块化组装和扩展，例如高科技乐高积木。”

“我们正在使半导体工厂的所有权民主化，”Nanotronics的创始人兼CEO马修·普特曼（Matthew Putman）在谈到芯片制造工厂时说道。

据介绍，其名为 Cubefabs 的新系统将其模块化检查工具和其他设备与人工智能相结合，允许拟建的芯片工厂进行自我监控并进行相应调整——这是普特曼所说的“自主工厂”的一部分。普特曼说，该设施的大部分可以预先组装、平板包装并放入集装箱中，这样这些设施就可以在“世界 80% 的地方”建造。

最终，该公司设想在世界各地建造数百座花形工厂，从纽约或科威特的原型工厂开始，希望在今年年底前开始建设。

“从第一天起，这就是我的梦想，”普特曼说道。他拥有应用数学和物理学博士学位，8 岁时就开始在父母的制造公司从事科技工作。他的父亲约翰“早在 1982 年就在工厂车间放置了第一台个人电脑，”他说。还需要四年的时间，以及正确的技术和地缘政治利益的融合，像 Cubefabs 这样的东西才有意义。“这只能现在发生，”普特曼补充道。

全球对芯片的依赖从未如此明显，仅美国的晶圆厂建设就激增了数千亿美元——这得益于 2022 年《芯片和科学法案》以及全球各地类似激励措施的推动，更不用说对最先进芯片的地缘政治焦虑日益加剧。尽管最近半导体需求有所放缓，但全球对芯片的需求预计将在 2030年较之2019年翻倍。与此同时，制造它们的成本正在飙升。摩尔定律指出，集成电路中晶体管的数量每两年就会增加一倍；洛克定律据说芯片制造厂的成本每四年就会翻一番。

通过利用 Nanotronics 在材料和自动化以及预制建筑方面的专业知识，并通过标准化和缩小工厂规模，普特曼找到了一种颠覆流行范式的方法，这种范式鼓吹单一的一刀切的经济性追求。“如果你能在很多地方快速建立很多小工厂，你就能更快地实现规模化，”他说。

与建筑师 Rogers Partners 和 Arup 合作设计，每个 Cubefab 看起来都像赛博朋克三叶草，中心有一个服务“立方体”和模块化工厂，每个工厂可容纳两个洁净室，像叶子一样向外延伸。这些是小型晶圆厂——业内称为纳米晶圆厂——每月能够启动数百个晶圆；台积电正在亚利桑那州建造一座巨型晶圆厂，在经历多次延误和成本超支后，其目标是在 2025 年全面投产时每月投产 20,000 片晶圆。

Nanotronics 表示，单个 Cubefab 安装可以从一英亩的单个晶圆厂开始，然后发展到四个晶圆厂、六英亩的占地面积。该公司表示，每座晶圆厂可在一年内建成，四座晶圆厂的安装成本估计不到 1 亿美元。Nanotronics 拒绝透露为该项目筹集了多少资金，但 Putman 表示，该公司此前已从投资者那里筹集了 1.7 亿美元，其中包括 Peter Thiel 和 Skype 联合创始人 Jann Tallin。

Putman 表示，除了一位未透露姓名的科威特客户外，Nanotronics 正在讨论与汽车制造商和工业公司建立合作伙伴关系的可能性，并瞄准了中东、德国、西班牙和美国三个州的业务。他说，其潜在客户是“任何想要垂直整合的公司”。

全球下一代芯片的生产方式和地点已成为一个悬而未决的问题，但重塑一个价值 5000 亿美元的产业并不容易。半导体是为您正在阅读本文的设备提供动力的先进芯片的基础，也是最强大的人工智能系统的基础，也是对广大用户（包括不断发展的可再生能源行业）至关重要的更基本芯片的基础。虽然它们是在美国发明的，但动荡的市场对效率的不懈需求已将大部分半导体生产推向东亚，最先进的芯片仅由台积电在台湾生产，台积电目前是世界上最有价值的半导体制造商。

占地六英亩的 Cubefab 的中心节点将容纳办公室、服务和其他基础设施

各国政府和芯片公司一直在寻求亚洲以外的供应链多元化，但建设新工厂的成本，尤其是在美国和欧洲，令人瞠目结舌。《CHIPS 法案》包括在五年内向美国芯片制造商提供 390 亿美元的直接补贴，但这仅略高于最大芯片公司之一一年的资本支出。

普特曼指出，台积电和美光正在亚利桑那州和纽约州北部建造巨型晶圆厂，其中包括英特尔、格罗方德、德州仪器和三星代工等众多在建美国晶圆厂。“它们需要五年的时间才能建成，它们非常巨大，占据了整个街区，基础设施也非常庞大，”他说。“如果建造晶圆厂的成本成倍增加，你就无法跟上摩尔定律。”

尽管人工智能芯片受到了所有关注（和制裁），但世界越来越渴望更通用的芯片，这些芯片用于从 LED 和激光器到汽车、手机充电器和有助于推动人工智能的数据中心等各个领域。福特今年早些时候表示，由于无法采购足够的芯片，导致季度销量减少 10 万辆。

Cubefabs 最初将在中等尺寸的 200 毫米晶圆上构建此类高功率后缘设备。Cubefabs 将生产所谓的化合物半导体，而不是硅基芯片，使用更新的衬底氧化镓，这有望提高制造效率和更坚固、节能的设备。普特曼表示，其中包括“需求旺盛、供应短缺或之前尚未优化的专用芯片，因此它们的成本效益不高。”

生产此类新型芯片的预制纳米工厂系统可以帮助公司或学术实验室更好地控制其供应链，使他们能够根据需求更快地调整供应，并使自己免受频繁冲击和短缺的市场影响。早期量子计算公司 MagiQ Technologies 的创始人兼董事长兼风险投资者鲍勃·盖尔方德 (Bob Gelfond) 表示：“Cubefabs能让这一过程更快、更便宜、更高效，从而可以更快地调整数字，随着需求的减弱减少或增加供应。”

在美国能源部太平洋西北国家实验室研究半导体的国家安全顾问约翰·韦尔韦 (John VerWey) 表示，能够以相对较小的规模制造各种芯片，这与当前流行的芯片制造生态系统背道而驰，但这当然是有必要的。

VerWey 估计目前美国大约有 150 到 200 个这样的纳米加工设施，其中大部分位于大学研究实验室内。能够生产更多商业用途精品芯片的设施可以对供应链安全产生积极影响，并可以帮助更快地制作原型设备，帮助弥合基础研究和应用研究与实际应用之间的差距。他说：“长期以来，人们对如何以经济实惠的方式运行此类纳米工厂的前景感到兴奋。”

每个 Cubefabs 都将以特许经营模式出售，Nanotronics 协调供应和预制，根据所有者的需求安装晶圆厂，提供服务和监控，并收取许可费以及晶圆厂产出的收入份额。这个想法有助于 Nanotronics 充分利用该项目，并减轻客户的财务和技能负担，“这使他们能够做到这一点，”该公司首席财务官 Alice Globus 说。“这让我们始终参与其中，而无需拥有晶圆厂本身。”

“我们认为这是一个可交付成果，”普特曼说。“我们以前交付仪器的方式，但现在我们正在交付整个晶圆厂。”

Im Patient Ventures 的创始人兼 Cubefabs 投资者 Jack Dreifuss 表示，如果 Nanotronics 能够兑现其承诺，它将成为“美国最重要的公司之一，世界上最重要的公司之一”。

“如果他们能够以这样的成本，利用这些资源，以这样的效率，为半导体芯片这样复杂的东西建造这些设施，那么，这将从根本上颠覆所有制造业。通过人工智能、机器人、基础设施、计算机视觉和材料的正确组合，Cubefabs 可以用来制造“坦率地说，几乎所有其他东西”。

这仍然是一个很大的如果。为了挑战现有的半导体经济学定律，Nanotronics 仍然需要证明它可以将一系列想法和技术整合到一个可行的系统中。要实现这一目标，不仅需要预制晶圆厂所需的许多组件和管道，还需要与潜在的数十个合作伙伴合作，采购芯片制造所需的其他机械：沉积、涂层、光刻、清洁和其他工具，以及导航晶圆厂建设的环境和监管复杂性。

建造一座晶圆厂并安装其所有复杂部件，尤其是在美国，往往比预期更复杂、成本更高。VerWay 表示：“建造晶圆厂外壳并建立适当的结构很简单，但困难的部分是与参与供应链的每个人进行合作。”

对于普特曼来说，机器人工厂网络的概念是一个梦想，可以追溯到他童年时对《星际迷航》的痴迷，但直到 Nanotronics 组装了自己的制造设施后，这个梦想才开始变得可行。2019 年，该公司开始使用预制钢材和交叉层压木材，将布鲁克林海军造船厂的一座大型前造船厂改建为新总部。这座占地 44,000 平方英尺的设施的第一部分由 Rogers Partners 设计，从破土动工仅用了九个月的时间。“因此我们相信预制是可以通过这种方式实现的，”普特曼说。

为了开始勾画 Cubefabs 的想法，Nanotronics 聘请了 Rogers 和 Arup 寻求设计和气候研究方面的帮助，这些研究可以确定适合各种气候的工厂设计，从炎热的中东沙漠到寒冷的纽约州北部。内部设计团队完善了基础设施计划，以便满足全球各地的各种建筑规范和监管环境，而工程师则开始研究硬件和机器学习软件的新组合。

大型芯片工厂已经高度自动化，但普特曼认为，更小型、更容易建造的工厂的自动化为那些缺乏熟练工人的地方带来了机会。熟练芯片工人的短缺现象普遍存在，甚至在美国各地，台积电在 7 月份推迟了其位于亚利桑那州价值 120 亿美元的工厂的开业，因为它表示找不到足够的熟练工人来安装晶圆厂的设备；最近，该公司表示该工厂一半的员工将需要来自台湾。

一个自动化 Cubefab 只需要大约 30 人即可操作，“而且他们不必是半导体专家，”普特曼说。“人工智能消除了晶圆厂通常需要的专业化需求。”

他希望这种自动化还可以帮助那些拥有更专业技能的人花更多的时间来发明芯片而不是检查它们。“这些富有创造力的人应该从事下一代材料和设备所需的设计和其他工作，”他说。

Cubefabs 驻科威特投资者 Anwaar AlMahmeed 表示，小规模芯片制造自动化在中东和其他芯片制造仍处于萌芽阶段的地区尤其有吸引力。她说，想一想 SpaceX 对商业航天业的推动吧。“这很令人兴奋，因为你让更多能够带来不同观点和不同优势的人加入。这意味着你将会有更多的创新。”

选择尚未商业化作为芯片基板的氧化镓可能会带来另一个挑战。普特曼表示，这一决定是公司为自己设定的一系列限制的结果，包括能够将晶圆厂安装到小型、适应性强的预制设计中，以及“我们知道这些限制是世界上的问题”。

氧化镓比其他化合物半导体效率更高，效率比硅高出约五倍，这也可以减轻重量并减少电池磨损。它可以承受高温，这也使其用途更加广泛。镓还可以批量生长，并且对制造和资源的需求较少，例如不需要超纯水。“对于氧化镓，我们不会使用那么多的气体和材料，也不会产生同样的废物，”普特曼说。“这只是一个十二步的过程，而不是数百步。”

化合物半导体的缺点是它们很容易出现缺陷。普特曼说，这就是人工智能至关重要的地方。此外，来自 Cubefabs 网络的数据可以帮助平衡产能并改善每个工厂的运营。“我们拥有的越多，每个设施就会越好。它是一个不断进化的有机体。

普特曼还希望自动化将有助于进一步减少这个众所周知的资源密集型行业对环境的影响，该行业每年产生数千吨废物，其中大部分是危险的。“因为人工智能可以在制造之前修复材料和设备，所以最终材料的浪费会减少，”他说。

Globus 承认，与施工和采购相关的挑战在一开始是不可避免的，但她对 Nanotronics 管理广泛的供应商和承包商的能力充满信心。“我们正在与专家合作，他们已经为其他类型的应用程序执行过数千次这样的操作。”

尽管面临挑战，但冒险是值得的。“很少有技术能够改变世界，但我认为现在我们正处于变革的风口浪尖，”她说。“我认为三年后，世界将完全不同。”

“而且，我们需要一年的时间来建造 Cubefab！”普特曼补充道。

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