4亿美元一台的机器：驱动芯片制造未来的光刻巨兽
1. 登上光刻巨兽：一台价值4亿美元的机器
乔斯·本肖普（Jos Benschop）正爬上梯子，抵达他最新机器的顶端。这趟攀爬颇费周折。这台装置有一辆双层巴士那么大——超过150吨闪闪发光的精密铣削铝材，上面覆盖着数千根蜿蜒的管道、彩色电缆和加压罐。从地面看，它像一台未来派的V8发动机。当我和本肖普到达顶部时，我们从大约15英尺的高处向下俯瞰，穿着兔子服的技术人员在下方忙碌穿梭。这是超过200立方米的科技——“以原子精度将几面镜子固定在位置的机电设备，”他指着这台巨大的装置说道。本肖普，一位高大、头发花白的66岁老人，已经与他的工程师们花了十多年时间设计这个东西，但即便如此，他有时看着它也会想：哦，我的天哪。本肖普是荷兰公司ASML的技术执行副总裁，这家公司是微芯片行业的关键支柱。如果你想制造用于手机或AI的强大芯片，就需要像我们站着的这台光刻机（lithography machine）来创建日益微小的电路。光刻（Lithography）是一门艺术和科学，通过将光线照射到硅晶圆上，刻画出晶体管、布线以及将从晶圆上切割下来的微芯片的其他组件图案。芯片制造领域基本上只由两大巨头控制：制造光刻机的ASML，以及芯片制造巨头台积电（TSMC）。九年前，ASML开始销售使用一种大胆新方法刻画芯片特征的机器。这些机器采用极紫外光（EUV），即远在可见光谱之外的辐射，通过每秒数万次向微小的熔融锡滴发射激光来产生。第一批机器——一项持续了16年、耗资约100亿美元的研发登月计划的成果——可以制造分辨率为13纳米的晶体管特征。这台新机器可以做得更好：它的分辨率仅为8纳米，大约相当于40个硅原子的宽度。这些设备现在正以令人瞠目的价格运往芯片制造工厂（fabs）：每台4亿美元。但芯片制造商愿意掏出这笔钱，因为他们正拼命竞相每年生产出新的和改进的芯片。这意味着要拿到能够制造更小组件并将它们更密集地塞在一起的机器——这是制造更快、更节能芯片的长期配方的一部分。多年来，ASML的工具对于维持摩尔定律（Moore's Law）的活力至关重要。没有这家公司的先进芯片制造技术，芯片密度——以及执行更多计算的能力——很可能已经停滞不前。AI产业已经对更密集的芯片产生了新的巨大需求，因为像OpenAI和Anthropic这样的公司争相建立服务器农场，训练和部署新的、更强大的模型，这些模型需要新的、更强大的硬件。ASML的最新机器有望让AI派对至少再狂欢十年。“我们可以让客户走向越来越小的特征，这为我们今天在AI中看到的任何东西打开了空间，这绝对令人难以置信，”ASML的首席技术官马可·彼得斯（Marco Pieters）告诉我。“我认为我们只看到了冰山一角。”
2. 垄断与地缘政治：芯片成为新石油
ASML对“缩小”（shrink）——芯片制造行业中的叫法——的不懈追求使其成为主导力量：该公司生产全球约90%的所有芯片光刻工具。如果你制造芯片，ASML是绕不开的。但这种垄断地位让一些人和政府感到不安。芯片制造领域基本上只由两大巨头控制：制造光刻机的ASML，以及位于台湾的芯片制造巨头台积电，后者使用ASML的机器制造绝大多数微芯片。这种双头垄断如此强大，以至于具有地缘政治影响。为了阻止中国发展先进AI，美国政府于2019年施压荷兰政府实施禁运：ASML不得向任何中国公司出售高端机器。从地缘政治角度看，“芯片是新的石油，”《焦点：ASML之道》（Focus: The ASML Way）一书的作者马克·海金克（Marc Hijink）说。被剥夺芯片可能与被剥夺石油一样具有灾难性。在这个比喻中，你可以说，ASML就是霍尔木兹海峡。光刻初创公司Substrate的联合创始人兼CEO詹姆斯·普劳德（James Proud）表示，这种情况并不理想。美国“危险地依赖”一个海外且日益昂贵的供应链，Substrate在其网站上表示。“玩家高度集中在少数几个公司身上，”普劳德说。“而且供应链非常昂贵。”这就是为什么在ASML主导了二十年之后，潜在的竞争对手现在正瞄准它的地盘。中国正投入数十亿美元试图复制ASML的技术。像Substrate这样的初创公司也试图加入游戏，将目光投向制造比ASML的庞然大物更便宜、更小、甚至能力更强的光刻机。它们中会有成功的吗？近期未来显然属于ASML，但正如其工程师们所知，用合适的光学技巧可以推翻一个巨人。
3. 光刻的两步舞：从可见光到极紫外光
制造芯片，奇怪地，有点像丝网印刷T恤。要在硅晶圆上打印图案，你从掩模版（reticle）上的图案开始——掩模版承载着设计。将光线照射到掩模版上，将该图案转移到晶圆上。光线与晶圆上的一层化学物质相互作用，将图案固定到位。芯片特征的大小部分由机器使用的光波长决定：波长越小，你可以创建的电路就越微小。你可以在一定程度上扩展波长的能力；增加所谓的数值孔径（numerical aperture），通常意味着换用更大的透镜，可以进一步聚焦光线，从而为越来越小的组件打下图案。然而，最终，这个技巧会达到极限，你需要找到一种波长更小的新形式的光。因此，芯片制造的历史一直是一支两步舞。行业找到一种好的光源，最终增加数值孔径，然后最终接受需要更小波长的现实，重新开始这两步舞。直到20世纪90年代初，芯片制造商使用可见光，波长约为400纳米。到90年代中期，他们升级到深紫外光（deep ultraviolet），最终将其降至193纳米波长。到90年代末，他们看到深紫外光的路线即将走到尽头。但接下来会发生什么？所有选项都很麻烦。他们可以转向X射线，波长只有一纳米，但极难聚焦。电子束和离子束同样精确；但它们像点阵打印机一样工作，逐点转移图案，速度太慢。（芯片行业希望一台机器每小时能生产数百片晶圆。）大约在2001年，当时在光刻领域规模较小的ASML押注于另一个选项：EUV，波长略低于X射线范围。尼康（Nikon）和佳能（Canon）也在研究它，但它们退出了——而ASML继续前进。这个想法充满了未知数。没有人知道如何可靠地产生那种光，也不知道如何聚焦它；EUV会被普通玻璃透镜吸收。它甚至会被空气吸收。ASML原本以为需要整整六年才能走出这个研发噩梦。实际上花了16年和大约100亿美元的研究，但它成功了。这台在真空中工作的机器，通过蒸发熔融锡并使用镜子引导它来产生EUV光。历史悠久的德国光学公司蔡司（Zeiss）不得不发明新的抛光检查镜子技术，使用离子束去除微小的瑕疵。“他们有点忽略了那种‘嘿，这永远不会成功’的嗡嗡声，他们只是埋头解决这些巨大的工程问题，”曾在ASML工作、现在是芯片行业研究公司SemiAnalysis分析师的杰夫·科赫（Jeff Koch）说。“这是一家非常注重工程的公司：让我们派数千名工程师，让他们去解决这些问题。他们就是这么做的，而且成功了。”
4. EUV的诞生与AI时代的到来
当第一批EUV机器在2017年上市时，每台售价远超过1亿美元。一些观察者怀疑主要芯片制造公司——台积电、三星和英特尔——是否真的会有需求。在芯片制造商等待EUV问世的那些年里，光刻行业开发了巧妙的方法来改进老式的深紫外光。（例如，如果你在晶圆顶部放一层水，光线可以更窄地聚焦。）也许EUV在一段时间内不会太需要？但ASML运气很好。仅在EUV首次亮相几年后，OpenAI发布了GPT-3，然后是ChatGPT。人工智能突然进入主流。瞬间，像OpenAI、谷歌、Meta和Anthropic这样的公司，在构建大规模服务器农场以训练和部署大型语言模型时，对日益高端的芯片如饥似渴。EUV使得更容易、更快地生产出为AI定制的芯片设计。英伟达（Nvidia）开始生产精英级GPU——非常适合AI训练的处理器——每个售价4万美元；大公司们供不应求。AI战争打响了，EUV需求旺盛。ASML表示，2025年它向公司出售了近50台EUV机器，收入接近400亿美元。截至发稿时，该公司市值超过5000亿美元。ASML的新机器不乏潜在客户。但有一个特别有钱的客户，无论花多少钱都买不到：中国。美国希望削弱中国制造尖端AI芯片的能力——或者就此而言，任何先进芯片的能力。因此，当ASML在2017年开始销售其最初的EUV机器时，特朗普政府成功施压荷兰政府，禁止该公司向任何中国公司出售它们。美国还对中国的电信巨头华为实施了出口管制，禁止美国公司使用其4G和5G设备。这一记组合拳激怒了中国政府，并促使其采取行动。中国现在正投入数十亿美元追赶，并试图开发自己的EUV芯片图案化技术。去年冬天路透社的一篇报道发现，一个由前ASML员工组成的政府秘密项目已经拼凑出一台机器，其体积巨大，占据了整个实验室楼层。目前尚不清楚它的工作效果如何。海金克说，这个实验很可能正在制造一些芯片，但他怀疑它能否以工业规模进行。官方上，政府否认在推动开发EUV技术。与政府关系密切的《环球时报》的一篇社论驳斥了该报道，声称中国仍然乐于与西方合作以获得芯片。“我们的目标从来不是孤立地建立一个自给自足的‘技术孤岛’，”它表示，“而是在实现关键技术自主可控的基础上，更深入、更平等地融入全球创新网络。”专家表示，现实介于两者之间。中国确实渴望拥有国内制造高端芯片的能力。而且与ASML不同，它不需要其EUV机器高效且盈利，每小时生产约200片晶圆。任何产出都将有助于减少对西方的依赖。“他们会非常高兴拥有一个每小时处理一片晶圆、运行成本高昂的工具，”科赫说。“他们会建造一个有1000台这种工具的晶圆厂，并且对此非常满意。”尽管如此，一些人告诉我，生产和良好管理EUV光是一项可能需要数年的壮举。与此同时，专注于安全与技术的智库特殊竞争研究项目（Special Competitive Studies Project）的高级技术领导顾问大卫·林（David Lin）表示，中国将大力依赖20世纪90年代开发的深紫外光刻，充分利用一种称为多重图案化（multi-patterning）的替代但较慢的方法。“他们要把DUV推到绝对极限，”林说。AI竞赛也在推动中国设计出越来越巧妙的方法来开发不依赖最快AI芯片的大型语言模型。在美国，OpenAI、Anthropic和谷歌正在争夺谁能购买最大批量的热门英伟达芯片。既然中国无法那样竞争，它正在软件而非硬件上进行创新——构建像DeepSeek这样更轻量级的大型语言模型。
5. 高数值孔径：迈向更小尺寸的进化
在中国开始行动之际，ASML仍然专注于缩小。为了做得更小，本肖普和他的工程师们决定，他们不会转向一种新的光形式。他们将做两步舞的第二部分：他们将把机器的数值孔径提高一半以上（对于那些关注具体数字的人，它将从NA 0.33切换到NA 0.55）。这将使他们能够将晶体管的尺寸缩小近一半，并将它们在芯片上的密度提高近三倍。这也将是一次更容易的攀登。由于不需要开发全新的光源，基于高数值孔径EUV（high-NA）的新机器将是进化，而非革命。尽管如此，构建新系统确实带来了一些棘手的挑战。在EUV机器中，将图像转移到晶圆上的方式是将光线照射到掩模版上的微芯片图案，然后使用光学系统接收反射光并缩小该图案，将其缩小到你在晶圆上想要的大小。光线在任何给定时间只照射掩模版的一部分，因此你快速来回移动掩模版，使图案的每个部分都暴露在光线下。采用更高的数值孔径意味着他们可以在掩模版上拥有更小的特征。但这也意味着一些光线将以更陡峭的角度到达掩模版——并从其反射。这就是问题所在。掩模版上的图案是三维的，因此以如此陡峭角度到达的光线会产生阴影——就像倾斜的阳光在大峡谷中产生阴影一样。这可能会降低机器制作清晰图案的能力。新的掩模版以高达22 g的加速度移动，比公司最初的EUV机器快得多。“不要试图坐在上面，因为你会晕过去。”解决方案是改变掩模版上的图案——以及镜子接收光线并将其缩小以将图案传递给晶圆的方式。掩模版上的设计现在将是其宽度的两倍——可以说，在一个维度上被拉伸。但这种设计有其自身的问题。镜子的改变意味着单次扫描期间暴露在晶圆上的区域是原始EUV机器的一半，降低了系统的速度。而ASML不能容忍任何减速：芯片制造商为它支付的是具有巨大吞吐量（约每小时200片晶圆）的机器。如果系统的一部分减速，另一部分就必须加速。工程师们决定机器应该更快地移动掩模版，这意味着使整个机制更轻并大幅重新设计它。新的掩模版以高达22 g的加速度移动，比公司最初的EUV机器快得多。“不要试图坐在上面，因为你会晕过去，”彼得斯告诉我。晶圆台也随着掩模版一起更快地移动。与此同时，在德国，蔡司的工程师们正忙于设计镜子以适应更高的数值孔径和光的不对称形状。新镜子将大约是普通EUV机器中镜子的两倍大，而将光从掩模版携带到晶圆的投影系统重达整整12吨，是以前的七倍。蔡司建立了一条新的机器人辅助生产线来处理这些笨重的新野兽。该公司表示，它们是有史以来制造的最光滑的表面。与此同时，ASML正在努力使其EUV光源更强大，以帮助加快晶圆曝光过程。工程师们计算，如果他们用激光击中每个锡滴三次而不是两次（就像在第一台机器中那样），他们可以提高EUV的输出。这意味着本已繁忙的锡发射系统需要提速50%。“激光器只会越来越大，”ASML圣地亚哥工程主管亚历克斯·沙夫甘斯（Alex Schafgans）说，EUV光源就是在那里制造的。事实上，单台机器的激光器现在占据了一整个房间。
6. 英特尔押注高数值孔径：重拾昔日荣光
在本肖普向我展示了巨大的高数值孔径设备后，我们穿过大厅，进入一个充满巨大六英尺高箱子的房间，这些箱子是激光系统的一部分。透过设备侧面的小窗户，我们可以看到用于产生激光的发光紫色等离子体。当高数值孔径机器开始从装配线下线时，一家公司正急切地等待着：英特尔。该公司购买了第一台待售的高数值孔径机器，并在2024年春天，300名ASML工程师出现在俄勒冈州英特尔的一个晶圆厂，开始组装和测试它。“ASML实际上在一个箱子上系了一个巨大的丝带，”英特尔研究员、硬件和光刻解决方案总监马克·菲利普斯（Mark Phillips）笑着说。他的团队一直在测试这台机器，看它的性能如何；菲利普斯不愿透露细节，只是说他“对工具健康的快速进展非常满意”。他也没有给出英特尔何时开始用它制造芯片的日期，尽管观察人士表示这很可能发生在明年。该公司计划逐步引入，先用于芯片上的几个精密组件，然后逐渐用于更多组件。利害攸关的是重拾其魔力的机会。英特尔曾经是硅谷的强者，为计算机和服务器设计最尖端的CPU，并在自己的晶圆厂中制造它们。但在2010年代，大市场是手机芯片和用于AI及游戏的GPU，英特尔迅速失势。苹果设计了自己的移动芯片（并让台积电制造），而英伟达对GPU也做了同样的事情。谷歌在2015年开始推出自己由台积电制造的AI芯片TPU，并很快将数据中心塞满了它们。因此，在2021年，英特尔宣布了一项登月计划。它将积极开始建设代工业务，与台积电正面竞争。英特尔代工将不是制造英特尔芯片，而是为手机和AI芯片制造商等客户制造设计。英特尔希望率先使用高数值孔径技术将使其在硅竞赛中获得优势，使其能够比任何人都更快地打印微小图案。它还可以为客户简化事情。多年来，在等待EUV机器出现的同时，芯片设计师使用多重图案化从旧形式的光中挤出更多寿命。每个芯片都由多层组成，这些层被沉积下来以制造像开关和布线这样的组件。如果你正在处理其中一层，并且需要制造比你的机器通常能生产的更小的特征，你可以将该层的图案分解成几个图案，然后一次一个地将晶圆暴露给它们。这种策略帮助芯片制造商在继续使用较旧（且更便宜）的机器的同时，仍然制造出越来越小的组件。但多重图案化很麻烦：设计起来更具挑战性。