芯片不在地球做？英国在太空生产新的半导体材料

在一项具有里程碑意义的任务中，英国新创公司Space Forge 的ForgeStar-1 卫星成功发射，成为英国首个在太空中进行制造的卫星。这次发射是透过SpaceX 的Transporter-14 任务完成的，ForgeStar-1 的目标是利用低地球轨道的独特环境来生产半导体，这些半导体将用于数据中心、量子计算和军事应用。

ForgeStar-1卫星的设计和建造均在威尔士卡地夫完成，这一技术成就标志着太空制造的开始。 Space Forge的执行长乔舒亚·韦斯顿（Joshua Western）表示：“我们已经建造并发射了英国的第一颗制造卫星，这是一项巨大的技术成就。接下来，我们的任务是证明我们能够创造出适合太空制造的环境。”

这颗卫星将在太空中进行半导体制造，利用微重力、真空和超低温的条件，而这些条件在地球上无法实现。 Space Forge计划使用“来自太空的芯片种子”促进芯片成长，并借由太空中无限真空与极低温环境进行制造，最后将芯片送回地球进行封装。虽然ForgeStar-1不会将制造的货物带回地球，但它将作为一个实验平台，测试太空制造的关键技术。

未来，Space Forge计划推出ForgeStar-2，这将是首个能够安全将半导体带回地球的卫星。该公司预计每年能够发射10到12颗卫星，最终实现每年超过100次的发射。这一系列的发展将使太空制造成为半导体供应链中的一个重要组成部分，并可能显著降低能源消耗和二氧化碳排放。

随着太空制造的兴起，这一技术不仅将推动半导体行业的变革，还将对洁净能源、国防和量子计算等领域产生深远影响。 Space Forge的这一创新预示着材料科学和制造业的新工业革命的开始。

英国芯片行业如何在二十五年后复苏

芯片支撑着我们的现代生活。它们是我们智能手机和笔记本电脑的核心。它们也在电动汽车和可再生能源技术中发挥着关键作用。

如今，超过四分之三的芯片（也称为半导体）产自亚洲。但在20世纪90年代，芯片生产分布在全球各地更为广泛，而英国的表现更是超乎寻常。

苏格兰中部地带是人口密度最高的地区，包括格拉斯哥、爱丁堡及其周边城镇，被称为“硅谷”，在鼎盛时期电子行业从业人员达 5 万人。

该地区出口从个人电脑到PlayStation芯片等各种产品。NEC、摩托罗拉和德州仪器等跨国公司都在那里运营着重要的工厂。21世纪初，互联网泡沫破裂引发了整个行业的整合，并促使制造业向东亚低成本工厂转移。英国国内的产能几乎被摧毁。

但英国半导体行业正在悄然复苏。新一波公司正专注于清洁能源技术芯片。这些芯片为电动汽车提供动力，对于可再生能源并入电网至关重要。它们也广泛应用于数据中心。

虽然大多数芯片都是基于硅元素，但这些新芯片是由“复合”半导体制成的：碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)。

化合物 SiC 和 GaN 具有一系列吸引人的特性，包括在高温下有效传导电流的能力，以及在击穿前能够承受比硅本身所能承受的强度高 9 倍以上的电场的能力。

这使得 SiC 芯片的厚度比同等硅芯片薄九倍。这反过来又降低了其所用设备中的电流阻力，从而提高了效率。

如果你知道手机或笔记本电脑充电器的发热有多大，你肯定经历过低效的电源转换。这种发热是由于硅芯片每秒进行数千次切换，将一种电流（交流电）转换为另一种电流（直流电）造成的。

就充电器而言，墙上插座的 230 伏 (V) 交流电会被转换成笔记本电脑电池所需的 19 伏直流电，其中一部分能量会以热量的形式损失。SiC 和 GaN 器件的开关速度比硅器件更快，并且以废热形式耗散的能量更少。

这使得它们成为高性能、紧凑且节能的充电系统的理想选择。基于GaN的壁式充电器如今越来越普遍，它们更小、更轻、更高效。

这种效率提升对于电动汽车也至关重要，因为电动汽车需要大型功率转换器将电池产生的直流电转换为交流电，以满足电动机的需要。基于碳化硅的功率转换器可以减少此类转换器的能量损失 60% 以上，这意味着汽车的续航里程可以延长 5%。

生产碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 需要复杂、昂贵且耗能的制造工艺。直到 2010 年代，这类材料才能够以大规模生产和低成本实现大规模市场应用。例如，碳化硅必须在极端温度和压力下生长一周，形成一个通常长度不到 5 厘米的小圆柱形芯片（或晶锭）。

相比之下，为了生产芯片所需的硅，需要从一桶熔融的硅（称为熔体）中连续拉出长达一米的硅锭。这一根本差异导致了成本差距：SiC芯片的价格仍然比硅芯片高出约三倍，这对其广泛应用构成了挑战。尽管如此，SiC芯片对于特定应用仍然至关重要。

新的产业中心

2024年3月，总部位于美国的Vishay Intertechnology公司以1.77亿美元（1.32亿英镑）收购了英国仅存的几家大型半导体工厂之一——纽波特晶圆厂（Newport Wafer Fab）。2025年3月，该公司宣布追加2.5亿英镑投资，用于扩大威尔士工厂的产能、升级设备并扩充员工队伍。约400个工作岗位得以保障。

纽波特工厂的重点将放在化合物半导体上，首先是用于电动汽车、数据中心和工业应用的碳化硅 (SiC) 芯片。工厂每月将生产数千片碳化硅晶圆（或称圆盘）。芯片就是从这些晶圆上切割下来的。每片晶圆直径为 200 毫米，可生产出足够的碳化硅芯片，为超过 15 辆电动汽车的电源转换器供电。

芯片制造也回归了硅谷。位于法夫郡洛赫格利的Clas-SiC晶圆厂成立于2017年，也生产SiC芯片。洛赫格利的加工工艺与Vishay类似，不同之处在于Clas-SiC采用的是所谓的代工模式，根据国际客户的设计生产器件。这种模式将芯片行业的设计和制造环节分离。

复合半导体在国家安全中也发挥着至关重要的作用。英国国防部最近对英国半导体产业进行了重点 投资。其中一项投资旨在确保砷化镓和氮化镓芯片的国内供应，这些芯片对雷达系统和战斗机至关重要。

英国大学的世界级研究是这些成功案例的基础。十多年来协调一致的公共投资——尤其是在21世纪10年代——帮助英国大学建立了全球公认的学术专长。

例如，在华威大学，我们的团队领导着全国范围内开发下一代碳化硅器件的工作。我们专注于开发用于未来火车和轮船的超高压功率器件，以及电网和用于太空的抗辐射电力电子设备，这些研究得到了英国政府半导体战略的资助。

英国政府致力于通过清洁能源和先进制造业推动经济增长，近期通过英国半导体战略大力支持该行业发展。即将出台的产业战略为巩固这一势头提供了绝佳机会。

未来的挑战是确保英国大学和实验室开发的下一代复合芯片技术能够在英国而不是国外发展和扩大。