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本字幕由TME AI技术生成
这期音频为你解读的是光刻巨人
这是全球光刻机巨头阿斯麦公司的企业专辑
光刻机是近两年热议的话题
很多人都在说
光刻机是中国被卡脖子的关键技术之一
这种神秘的机器被誉为半导体工业皇冠上的明珠
它是用来制造芯片的核心设备
一台最先进的极紫外光刻机市场售价高达一点二亿欧元
和一架波音七三七客机的价格差不多
有人开玩笑说
光刻机哪里是在刻芯片
简直就是在印钞票
而且这么贵的东西还不是你想买就能买
机子外光刻机目前全球只有一家公司能生产
这就是今天的主角
荷兰的阿斯麦公司
二零一九年
阿斯麦的极紫外光刻机产量只有二十多台
英特尔 三星
台积电等芯片生产巨头都在等着供货
中芯国际曾经在二零一七年下血本向阿斯麦订购了一台极紫外光刻机
但由于美国的阻挠
这台机器至今没有到货
目前
我国花在进口芯片上的钱已经超过了进口石油
芯片成为消耗外汇储备最多的项目
如果美国全面断供芯片
而我们又买不到最先进的光刻机
那么我们将面临没有高端芯片可用的风险
听到这儿
我猜你心里已经打出了无数个问号
光刻机到底有啥高科技
能卖这么贵
芯片产业向来是美日韩三国主导的地盘
为什么垄断全球高端光刻机市场的竟然是一家名不见经传的荷兰公司
中国的国产光刻机发展的怎么样了
有没有可能追赶上来
别急
这期音频我会把这些问题都给你讲清楚
我们回过头来说说光刻巨人这本书
这是阿斯麦公司的最新传记
详细讲述了阿斯麦在早期
也就是从一九八四年创立到一九九六年上市这段时间的创业故事
作者是一名荷兰的科技记者
叫做瑞尼
德吉梅克
巧的是
德吉梅克就出生在阿斯麦公司所在的小镇上
德吉梅克花七年时间采访了阿斯麦的创始人和后来的多位CEO
还访谈了几十位核心员工
获得了大量第一手素材
这本书的英文版在二零一九年上市
是目前关于阿斯麦公司的权威专辑
接下来
我就分三个部分来讲述
第一部分
我想为你简单说明光刻机是咋回事
造一台高端光刻机为什么这么难
第二部分
我们来看看阿斯麦公司是怎样从一家不断亏损的初创企业
成长为和日本尼康
佳能并列的市场三巨头
这也是这本书的主要内容
第三部分
我要为你补充
在一九九六年之后
阿斯麦怎样甩开这两个竞争对手
成为极紫外光刻机市场的唯一玩家的
好
我们先来讲第一点
高端光刻机为什么那么难造
有人这样形容光刻机
这是一种集合了数学
光学
流体力学
高分子物理与化学
表面物理与化学
精密仪器
机械自动化
软件
图像识别领域顶尖技术的产物
听起来是不是特别懵
别害怕
其实光刻机的工作原理一点都不复杂
你可以把光刻机看作一台高精度的底片曝光洗印机
它负责把底片
也就是设计好的芯片
电路图曝光到相片纸上
曝个底片呢
有一个专业名称叫做掩膜
掩盖的掩
保鲜膜的膜
而这里的相片纸
就是制造芯片的基底材料
硅晶圆曝光完成后得到的最中照片就是芯片
光刻机的基本结构也并不复杂
最关键的部件只有三个
光源发射器
用来调整光路和聚焦的光学镜头
以及放置硅晶圆的曝光台
你看
是不是一说你就明白了
正是因为光刻机的工作原理和基本结构都不复杂
所以在芯片行业发展的早期
并没有专门的光刻机生产商
芯片公司只需要到照相器材商店购买普通的相片洗印设备
然后自己加工改造一下就可以了
那么
光刻机是从什么时候变得复杂起来呢
这就要说到芯片行业著名的摩尔定律
摩尔定律是指
每隔两年
同样大小的一块芯片上晶体管数量会增加一倍
换句话说
芯片的性能也就增加一倍
要注意的是
摩尔定律并不是客观的自然规律
而是芯片行业在激烈竞争中形成的经验规律
一旦芯片公司的研发速度落后于这个节奏
就将被无情淘汰
摩尔定律自一九六五年提出后
统治了芯片行业长达半个世纪
也就是说
半个世纪以来
芯片上的晶体管数量一直在指数级增长
如果还把芯片比喻为相片的话
那么这个相片的像素是指数级增长的
相应的
用来曝光洗印照片的光刻机的精度也必须越来越高
否则你设计的照片再精美
印不出来也是白搭
以目前华为的麒麟七纳米芯片为例
生产这样的芯片要用到前面说的最先进的极紫外光刻机
它的精度要达到什么样的程度呢
首先
如果把光想象成一把刻刀的话
那么光波越短
这把刻刀就越锋利
我们知道
一纳米等于百万分之一毫米
七纳米芯片意味着它的每个元器件之间只允许有几纳米的间隔距离
相当于一根头发丝粗细的万分之一
要曝光这样的芯片
必须采用一种特殊的光源
也就是极紫外光
它的波长只有十三点五纳米
是可见光波长的几十分之一
但是极紫外光源很难制造
有大概二十年的时间
光刻机所使用的光都是波长为一百九十三纳米的深紫外光
一直无法突破
直到二零一五年
阿斯麦才研制出了第一台极紫外光刻机
到今天
也只有阿斯麦一家公司能够生产极紫外光刻机
这就是光刻机的第一个技术难点
光源
光刻机的第二个技术难点是用来调整光路和聚焦的光学镜头
高度精密的光学镜头是光刻机的核心部件之一
所以你发现没有
排在阿斯麦之后的另外两家光刻机生产商
尼康和佳能
都是生产光学镜头的佼佼者
阿斯麦自己不生产镜头
它的镜头来自德国的光学大师卡尔蔡斯
这种镜头有多精密呢
如果把镜头放大到一个地球那么大
它上面只允许有一根头发丝那样的凸起
所以有人说
这可能是宇宙中最光滑的人造物体
说到这儿
你有没有想起
在科幻小说三体里
三体人用来攻击地球的水滴
其实就是他们制造的一种表面绝对光滑的物体
按照小说里的定义
能不能制造出这么精细的东西
是衡量一个宇宙文明高度的标志
然而
能制造出这样的光学镜头还不够
光刻机的第三个技术难点是
对准芯片不是一次曝光就可以完成的
而是必须更换不同的眼膜进行多次曝光
就好像你用单色印刷机印刷彩色图纸
要用四种不同的颜色在同一张纸上印刷四遍
在这个过程中
如果下一道印刷没有完全对准上一道印刷的图案
那么就会出现重影
图像就废了
光刻机也是这个原理
别忘了前面说的
芯片的每个元器件之间只允许有几纳米的间隔
这就意味着眼膜和硅晶圆每次对准的误差也必须控制在纳纳米级别
更何况
一个硅晶圆有生日蛋糕那么大
而每次曝光的区域只有一块橡皮擦那么大
曝光完一个区域后
放置硅晶圆的曝光台必须快速移动
接着曝光下一个区域
要在这样的快速移动当中实现纳米级别的对准
这个难度就相当于你要从眨眼之间端着一盘菜从北京天安门冲到上海外滩
恰好踩到预定的脚印上
菜还能保持端平不能法
听到这儿
你是不是也觉得
天呐
实在是太难了
其实除了光源
镜头
对准这三大核心技术难题
还有一系列外围的技术难题
比如比室外空气干净一万倍的超洁净厂房
防止机器抖动的磁悬浮装置
以及配套的计算光刻软件等等
现在我们明白为什么光刻机被称为半导体工业皇冠上的明珠了
制造一台极紫外光刻机
就是在挑战人类工业文明的极限
好
我们对光刻机有了一个大致的了解
接下来
我们就来说说光刻机垄断巨头阿斯麦是如何崛起的
在阿斯麦成立的一九八四年
光刻机市场已经是群雄并起
有十来家生产商
市场份额较大的有美国的著名仪器生产商珀金埃尔默公司和GCA公司
以及日本的尼康和佳能
而阿斯麦在成立的两年内
市场份额为零
因为他们还没有生产出任何一款产品推向市场
不过阿斯麦的首届cee贾特斯密特声称
四年之内
阿斯麦定会杀入光刻机市场的前三强
诶
你肯定会觉得奇怪
一家名不见经传的小公司
在巨头伶厉的光刻机市场
哪来这样的底气呢
其实
阿斯麦并不是草根出身
而是戏出名门
他的技术和创业团队来自大名鼎鼎的飞利浦公司
早在一九六零年代
飞利浦的物理实验室就开始研发光刻机
而且有好几项技术都比市面上的光刻机要先进
但是飞利浦作为一家巨无霸公司
同时研发的新产品可以说不计其数
那个年代的光刻机也不算一种特别高科技的产品
飞利浦高层完全没有意识到这个机器的重要性
有件小事很能说明这一点
飞利浦的物理实验室每年都会举办一个研究成果展
有一年
光刻机团队获得了一个机会
在大会上展出他们的光刻机原型
这台机器成功吸引了大家的注意力
一名公司董事也过来参观学习
光刻机团队正在眉飞色舞的给董事介绍机器性能
结果这位董事突然走开了
原来他被隔壁展台的新型洗衣机吸引过去了
在董事看来
与光刻机这种小众专业设备相比
能够批量出货上万台的新型洗衣机当然更具赚钱能力
公司董事是这种态度
光刻机在飞利浦的命运就可想而知了
真是姥姥不疼
舅舅不爱
而偏偏光刻机又是一个需要持续投入大量烧钱的项目
每年至少需要投入一千万美元进行研发
简直就是个无底洞
到一九八零年代初
菲利浦实在受不了了
决定把这个包袱甩出去
能卖掉就卖掉
卖不掉的话
找人来合资也行
好歹分摊点成本
飞利浦先后洽谈了三家美国公司
都吃了闭门羹
美国人并不觉得飞利浦的技术有多牛
只有荷兰本地的一家叫ASM的小公司积极回应
眼看着实在没人接盘了
飞利浦最终同意与ASM合资成立光刻机公司
双方各占一半股份
阿斯麦的名字就来自ASM公司
一九八四年四月一日
愚人节这天
投资资金到账
首任CEO贾特
斯特特走马上任
但是刚刚接手新公司没几天
斯密特就后悔了
他发现自己掉进了一个大坑里
首先
这家公司穷得要命
飞利浦和ASM每家注资两百一十万美元
其中飞利浦的注资还是拿过时的样机和库存材料来折价的
于是阿斯麦公司的现金不足三百万美元
这和每年至少一千万美元的研发预算相比
简直都不够塞牙缝的
公司甚至没有一个像样的办公地点
飞利浦在自己的豪华办公大楼前面搭了一排简易活动板房供他们办公
第二
比没钱更要命的是
公司员工的士气非常低落
阿斯麦最初的四十七名员工都来自于飞利浦的光刻机团队
他们认为自己是被飞利浦一脚踢了出来
扫地出门
每个人都灰心丧气
不停的抱怨
这样一帮人
你怎么指挥他们打仗
第三
从技术上看
阿斯麦的确是从飞利浦那获得了一些领先的技术
比如高精度的对准技术
但是从实验室技术到商业量产
还有很长的一段路要走
很有可能产品还没推向市场
钱就烧光了
想想看
如果你是斯密特该怎么办
斯密特做的第一步就是重振员工士气
这是扭转局势的开始
什么东西可以让一支暮气沉沉的队伍变得斗志昂扬呢
不是钱
而是赢的希望
在公司成立后的第一次员工大会上
斯密特信心满满的宣布
四年之内
阿斯麦可以从一家市场份额为零的公司
跻身光刻机市场的前三名
当然
牛可以随便吹
关键是你怎么让员工真的相信
斯米特对竞争形势做了认真分析
当时市面上包括阿斯麦在内有十家光刻机生产商
但其中五家根本就没有啥核心技术
属于陪跑的行列
真正值得认真对待的对手也就四家
就是前面提到的美国的珀金
埃尔默和GCA
以及日本的尼康和佳能
斯密特告诉员工
虽然这四家公司的产品都很成熟
但是他们都没有充分重视摩尔定律的威力
两年之后
主流芯片将升级换代
从大规模集成电路变成超大规模集成电路
硅晶圆尺寸要从四英寸变成六英寸
这就意味着现在的光刻机会被淘汰
市场将会重新洗牌
四巨头中还没有一家研制出了新一代光刻机
阿斯曼是和他们站在同一条起跑线上
谁率先研发出了新一代光刻机
谁就赢了
更何况
阿斯麦还拥有一张技术王牌
高精度的对准系统
这是开发下一代光刻机的关键技术
其他四巨头都还没有
这等于是阿斯麦抢跑了
赢面很大
斯密特这一番话
听得员工一个个热血沸腾
准备撸起袖子大干一场
员工动员起来了
接下来斯密特得完成第二项艰巨任务
就是找钱
斯密特估计
想要在光刻机市场站稳脚跟
需要筹集一亿美元的研发费用
但是飞利浦把光刻机项目剥离出来
就是不想再往里头投钱
而ASM的实力又不够
斯密特费尽口舌
好说歹说
才让两家股东各增资了一百五十万美元
简直是杯水车薪
事实上
阿斯麦从成立到上市的十多年间
一直处于现金流极度紧张的状况
斯密特和后来举任ceeo的首要任务都是找钱
当时欧共体和荷兰政府的经济事务部都对本地的高科技企业有补贴和贷款支持
阿斯麦的人天天去游说政府给他们拨款
有段时间简直就要在政府大楼的门前安营扎寨了
阿斯麦好几次资金断流
都是靠荷兰政府紧急输血来续的命
还有
飞利浦不想给钱
给阿斯麦做担保总可以吧
靠着飞利浦的担保
阿斯麦从银行又贷到了两千五百万美元
阿斯麦还设法找到资产租赁公司
以在建的机器设备为抵押
贷了一笔款
总之
通过各种东挪西凑
研发费用勉强到位
当然了
后来飞利浦终于发现了光刻机的重要性
也对阿斯麦下了血本
前后投资超过一亿美元
钱的问题解决了
斯密特又开始愁光刻机的量产问题
斯密特清醒的认识到
关键的瓶颈其实不在阿斯麦本身
而在于生产光学镜头的供应商
日本的尼康和佳能自己就是顶级的光学镜头厂商
阿斯麦想要和他们竞争
必须绑定一个高水平的供应商
斯米特认定唯一的选择是德国的顶级镜头厂商卡尔
蔡司
斯米特派人去蔡司谈合作
看能不能为他们独家定制镜头
谁知蔡司那边的负责人一口拒绝
拿出几个库存镜头告诉他们
爱买不买
原来
除了阿斯麦
美国的几家光刻机公司也在寻求和蔡司合作
蔡司的镜头是好女不愁嫁
当然不可能为阿斯麦独家定制了
更麻烦的是
就算蔡司愿意合作
他的产量也跟不上
蔡司的精密镜头是手动抛光完成的
需要依赖具有多年经验的顶级工匠
这样的工匠被称为金手指
六名金手指一年只能磨制出十套满足新一代光刻机要求的镜头
蔡司就算跑遍全球
也找不到足够的金手指
所以在后来很长一段时间里
蔡司和阿斯麦的合作都是半新半意
镜头成了阿斯麦卡脖子的环节
一直到一九九零年代初
蔡司陷入了财务危机
而阿斯麦的母公司菲利普慷慨相助
前后借给蔡司将近四千万美元
帮助他摆脱困境
两家公司这才越走越近
后来
蔡司又在飞利浦的帮助下
开发出了闭环抛光机器人生产线
也就是用机器人来打磨抛光镜片
这就摆脱了对金手指的依赖
为光刻机的量产铺平了道路
就这样
初创的阿斯麦攻克了一道道难关
终于在一九九一年交付了一台划时代的产品
型号为PAS五五零零
这款机器一上市就迅速占领市场
阿斯麦终于扭转多年亏损的局面
实现了持续盈利
同时
一场意外的行业萧条
直接让阿斯麦的两位美国对手出局了
说来也巧
就在阿斯麦刚成立的三年中
全球的芯片行业经历了一次衰退
需求暴跌
日本公司通过财团之间的抱团取暖躲过一劫有没有
没有
而阿斯麦在那几年还在潜行搞研发
反正也没有产品卖
所以就不受市场萧条的影响
但是美国公司就倒霉了
以GCA公司为例
在前些年的市场繁荣期
GCA大干快上
同时上马了五十多个研发项目
结果萧条期一来
资金链马上断掉
公司一蹶不振
美国公司一倒
蔡司的光刻镜头就只能卖给阿斯麦
正好缓解了镜头产能不足的压力
真是如有神助
到一九九六年阿斯麦上市的时候
光刻机市场只剩三个玩家
老大尼康
老二佳能
阿斯麦排第三
这本书正文的最后一句话是阿斯麦员工穿的t恤
上面写着
我们将打败日本人
显然
到这儿阿斯麦的故事还没有讲完
在接下来的第三部分
我通过网上查到的资料
特别是本书译者金杰翻写的文章光刻机之战
为你简要介绍阿斯麦是怎么打败尼康和佳能的
阿斯麦之所以能够成为行业老大
离不开两个贵人的支持
一个是台积电
一个是英特尔
先来说台积电
台积电之所以能跟阿斯麦搭上线
是因为台积电和阿斯麦一样
一开始都是飞利浦的合资企业
因为这样的关系
台积电成为阿斯麦最早的客户之一
和阿斯麦有比较多的合作
一九九零年代
光刻机的光源被卡在了一百九十三纳米的深紫外光
想要进一步制造波长更短的光实在是太难了
这时候
尼康打算用一种叫做f二的激光作为光源
但是这种光很容易被吸收
原来的镜头
光刻胶等配套材料都不能用
必须全部重新研发
而且f二激光的波长是一百五十七纳米
只比一百九十三纳米的深紫外光短了不到百分之二十五
也就是说
f二激光的投入产出比太低
就在这时候
台积电有一名叫林本坚的工程师想出了一个怪招
只要在曝光的硅晶圆上方加一毫米厚的水
通过水的折射
就可以把一百九十三纳米的深紫外光变成一百三十四纳米的光
这比f二激光的一百五十七纳米更短
而且对原来的机器不用做太大的改动
属于低投入高产出
林本坚这个想法一出来
阿斯麦就积极响应
和台积电一起研制出了叫做浸入式的新一代光刻机
很快抢占了市场
当然
台积电也凭借率先用进入式光刻机来量产芯片
崛起为业界巨头
这是一个双赢的格局
而另一边
等尼康反应过来
也开始研发进入式光刻机
技术上已经比阿斯麦落后了一两年
光刻机市场就是这么残酷
只要一次技术换代没跟上
就会被拉下马来
这是第一个贵人台积电
他帮助阿斯麦弯道超车尼康
不过第二个贵人英特尔就更厉害了
他让阿斯麦一骑绝尘
把尼康和佳能甩出了十条街
一九九零年代
就在尼康想出f二方案
林本坚想出进入式方案的时候
芯片界的老大英特尔也在想办法
这么小打小闹
修修补补下去不行啊
想要在未来十年保持摩尔定律有效
必须把光刻机的波长缩小一个数量级才行
这种光就是一开始我们提到的极紫外光
它的波长只有十三点五纳米
是深紫外光的十五分之一
不过
要制造出这种光源的光刻机
已经不是哪家公司凭一己之力就可以完成的
必须举当时全美国最先进的科技力量共同研发
一九九七年
英特尔和美国能源部牵头成立了一个研究组织
叫做极紫外联盟
成员包括当时还如日中天的摩托罗拉
AMD以及美国三大国家实学室
总投资两亿美元
集合了几百位顶级科学家
从理论上验证极紫外技术的可行性
从一九九七年到二零零三年的六年之内
极紫外联盟的科学家发表了几百篇论文
扫清了极紫外技术的理论难题
只要光刻机厂商把技术落地就行了
问题是
美国举全国之力研发出来的这么宝贵的技术
交给谁呢
当时美国的光刻机厂商已经被团灭了
剩下的玩家只有阿斯麦
尼康
佳能三巨头
一九八零年代
日本人在存储芯片领域把美国人打的落花流水
美国人至今恨得牙痒痒
把技术转让给日本人断断不行
这样一来
唯一的选择就只有阿斯麦了
当然
美国人对这家荷兰公司也不是特别放心
所以让他做了一堆承诺
几乎把阿斯麦变成了半个美国公司
目前阿斯麦的三大股东也都是美国公司
飞利浦几乎没有阿斯麦的股份了
这也是为什么中芯国际想买阿斯麦的极紫外光刻机
而美国人不让卖就没法卖
因为技术是人家的
有了美国人的技术转让
再加上阿斯麦每年高达十亿欧元的研发投入
阿斯麦终于在二零一五年实现了极紫外光刻机的量产
而曾经的日本双雄尼康和佳能直接放弃了极紫外光刻机的研发
退出比赛
只在中低端市场还有一点残余的份额
从阿斯麦王者崛起的故事中
我们可以看到
光刻机技术其实已经超越了企业之间的竞争
它需要从国家战略层面
在资金上
技术上集中力量
集体攻坚
那么在这场竞争当中
中国的国产光刻机处于什么位置
有没有赶超的可能呢
其实我国的光刻机技术起步并不晚
早在一九七七年就研制出了第一台国产光刻机
和当时世界最先进水平的差距并不大
但是后来由于信奉造不如买
我国的光刻机研发陷入了停滞
直到二十一世纪初才又重新开始启动
目前中国最牛的光刻机生产商是上海微电子
它的光刻机可以生产九十纳米制成的芯片
虽然这距离最先进的七纳米甚至五纳米芯片还差很远
但是九十纳米芯片也能够满足国防和工业的计算需求
即使真的断供
我们最多是没有最新款的手机可用
不至于整个国家彻底停摆
而且五g技术的应用
也可以在一定程度上缓解芯片能力的不足
这就好比我们没有能力造出豪华跑车
但是可以把高速公路修的更好
这样整体车速跑起来也不会太慢
最新消息称
上海微电子将在二零二一至二零二二年交付新一代进入时光刻机
可以生产二十八纳米制成的芯片
二十八纳米芯片已经可以满足物联网技术需求
而且用二十八纳米光刻机进行多次重复曝光
可以生产七纳米芯片
只不过速度慢一些
目前中科院表示要带头攻坚光刻机项目
国家也对光刻机研发进行了专项拨款
中国的光刻机研发路漫漫而修远兮
但只要坚持投入不下牌桌
就会有赢的机会