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关于作者 瑞尼·雷吉梅克，荷兰科技记者，出版人。雷吉梅克就出生在阿斯麦公司所在的小镇上。雷吉梅克花7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。 关于本书 这是阿斯麦公司的最新传记，英文版在2019年上市。本书详细讲述了阿斯麦公司在早期，也就是从1984年创立到1996年上市这段时间的创业故事。 核心内容 一、光刻机是咋回事，造一台高端光刻机为什么这么难。 二、阿斯麦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，这也是本书的主要内容。 三、在1996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。 前言 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（EUV）光刻机，市场售价高达1.2亿欧元，和一架波音737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。 极紫外光刻机目前全球只有一家公司能生产，这就是今天要说的主角，荷兰的阿斯麦公司。2019年，阿斯麦公司的极紫外光刻机产量只有20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2017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得怎么样了，有没有可能追赶上来？别着急，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，详细讲述了阿斯麦公司在早期，也就是从1984年创立到1996年上市这段时间的创业故事。作者是一名荷兰的科技记者，叫瑞尼·雷吉梅克。巧的是，雷吉梅克就出生在阿斯麦公司所在的小镇上。雷吉梅克花7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2019年上市，是目前关于阿斯麦公司的权威传记。 接下来，我就分三个部分来讲述。第一部分，我想为你简要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，这也是本书的主要内容；第三部分，我要为你补充，在1996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。 第一部分 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。这个“底片”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终“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并不复杂，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的呢？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。摩尔定律自从1965年提出后，统治了芯片行业长达半个世纪。 半个世纪以来，芯片上的晶体管数量一直在呈指数级增长。如果还把芯片比喻为“照片”的话，那么，这个照片的像素是呈指数级增长的。相应地，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7纳米芯片为例，生产这样的芯片，要用前面说到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，1纳米等于百万分之一毫米，7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13.5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20年的时间，光刻机所使用的光都是波长为193纳米的深紫外光，一直无法突破。直到2015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司。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。按小说里的定义，能不能制造出这么精细的东西，就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掩膜，进行多次曝光。就好像用单色印刷机印彩色图纸，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的图案，就会出现重影，图像就废了。 光刻机也是这个道理。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，掩膜和硅晶圆每次对准的误差，也必须控制在纳米级别。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。曝光完一个区域之后，放置硅晶圆的曝光台必须快速移动，接着曝光下一个区域。要在快速移动中实现纳米级的对准，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，菜还保持端平不能洒。 听到这儿，你是不是也觉得，天啊，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1万倍的超洁净厂房，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”。制造一台极紫外光刻机，就是在挑战人类工业文明的极限。 第二部分 光刻机垄断巨头阿斯麦公司是如何崛起的。 在阿斯麦公司成立的1984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制造商珀金埃尔默公司和GCA公司，以及日本的尼康和佳能。阿斯麦公司在成立后的两年内，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。阿斯麦的首届CEO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。 你肯定觉得奇怪，一家名不见经传的小公司，在巨头林立的光刻机市场，哪来这样的底气呢？这是因为阿斯麦并不是草根出身，而是系出名门，它的技术和创业团队来自大名鼎鼎的飞利浦公司。早在1960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，一名公司董事也过来参观学习。光刻机团队正在眉飞色舞地给董事介绍机器性能，结果董事突然走开了，原来他被隔壁展台的新型洗衣机吸引过去了。在董事看来，与光刻机这种专业小众设备相比，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1000万美元进行研发，简直就是个无底洞。到1980年代初，飞利浦实在受不了了，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，好歹分担点成本。 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，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于ASM公司。1984年4月1日愚人节这天，投资资金到账，首任CEO贾特·斯密特走马上任。 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各自注资210万美元，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。阿斯麦公司现金不足300万美元，这和每年至少1000万美元的研发预算相比，简直都不够塞牙缝的。公司甚至都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47名员工，都来自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、不停地抱怨，这样一帮人，你怎么指挥他们打仗？ 第三，从技术上看，阿斯麦确实从飞利浦那儿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，假如你是斯密特，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？不是钱，而是赢的希望。在公司成立后的第一次员工大会上，斯密特信心满满地宣布，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？ 斯密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10家光刻机生产商，但其中有5家根本没有啥核心技术，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，但是它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4英寸变成6英寸。这意味着，现有的光刻机会被淘汰，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，阿斯麦是和它们站在同一条起跑线上，谁率先研发出新一代光刻机，谁就赢了。更何况，阿斯麦拥有一张技术王牌——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，要想在光刻机市场站稳脚跟，需要筹集1亿美元的研发费用。但是，飞利浦把光刻机项目剥离出来，就是不想再往里面投钱，ASM的实力又不够，斯密特费劲口舌好说歹说，才让两家股东各增资了150万美元，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，斯密特和后来几任CEO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，阿斯麦从银行贷到了2500万美元。阿斯麦又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，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1亿美元。 钱的问题解决了，斯密特又开始发愁光刻机的量产问题。斯密特清醒地认识到，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，阿斯麦想要和它们竞争，必须绑定一个高水平的供应商。斯密特认定，唯一的选择是德国的顶级镜头厂商卡尔蔡司。 斯密特派人去蔡司谈合作，看看能不能为他们独家定制镜头，谁知道，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，它的产量也跟不上。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”。6名“金手指”一年只能磨制出10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”。 在后来很长一段时间里，蔡司和阿斯麦的合作都是半心半意，镜头成了阿斯麦“卡脖子”的环节。一直到1990年代初，蔡司陷入财务危机，而阿斯麦的母公司飞利浦慷慨相助，前后借给蔡司将近4000万美元，帮助它摆脱困境，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1991年交付了一台划时代的产品，型号为PAS 5500。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。阿斯麦在那几年还在潜心搞研发，反正没有产品卖，也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50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1996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恤上写着：我们将打败日本人。 第三部分 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，我通过网上查找的资料，特别是本书译者金捷幡写的文章《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。台积电之所以能和阿斯麦搭上线，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。 1990年代，光刻机的光源被卡在了193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F2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，F2激光的波长是157纳米，只比193纳米的深紫外光短了不到25%。也就是说，F2激光的研发投入产出比太低。 与此同时，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1毫米厚的水，通过水的折射，就可以把193纳米的深紫外光变成134纳米的光。这比F2激光的157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浸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，也开始研发浸入式光刻机，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，帮助阿斯麦弯道超车尼康。不过，第二个贵人英特尔更厉害，它让阿斯麦一骑绝尘，把尼康和佳能甩出了十条街。1990年代，就在尼康想出F2方案、林本坚想出浸入式方案的时候，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13.5纳米，是深紫外光的1/15。 当然，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。1997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”（EUV LLC），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验室；总投资两亿美元，集合几百位顶级科学家，从理论上验证极紫外技术的可行性。 从1997~2003年的6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，只需要光刻机厂商把技术落地了。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？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。1980年代日本人在存储芯片领域把美国人打得落花流水，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，让它做出了一堆承诺，几乎把阿斯麦变成了半个美国公司。目前阿斯麦的前三大股东都是美国公司，而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，再加上阿斯麦高达每年10亿欧元的研发投入，阿斯麦终于在2015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。 结语 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，在这场竞争中，中国的国产光刻机处于什么位置，还没有赶超的可能？ 其实，我国的光刻机技术起步并不晚，早在1977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21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（SMEE），它的光刻机可以生产90纳米制程的芯片。虽然这离最先进的7纳米甚至5纳米芯片还差很远，但90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，不至于国家彻底停摆。而且，5G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，但可以把高速公路修得更好，整体车速跑起来也不会太慢。 最新消息称，上海微电子将在2021~2022年交付新一代浸入式光刻机，可以生产28纳米制程的芯片。28纳米芯片已经可以满足物联网技术需求。而且，用28纳米光刻机进行多次重复曝光，可以生产7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。
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