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大家好,这里是好奇心爆棚的一心博士。

据外媒报道,美国正向荷兰施压,要求扩大光刻机的禁售范围。

也就是除了最先进的、用于7nm以下的EUV(极深紫外线)光刻机,就连技术落后一代、只能用于生产7nm以上制程芯片的DUV(深紫外线)光刻机,可能也将遭到禁售,从而国产芯片厂商、车规级芯片以及一些消费类芯片,都将面临受制于人的命运。

如今光刻机领域,阿斯麦、佳能、尼康三家厂商占据了90%以上的份额,这三家当中,阿斯麦又独占91%的份额(销售额),佳能6%,尼康3%,尤其是EUV光刻机仅有阿斯麦有能力生产。

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阿斯麦

但时间回到40年前,却完全是另一幅光景。

当时正是日本半导体全面崛起的年代,尼康凭借着相机时代的积累,成为光刻机领域当之无愧的巨头。而阿斯麦全公司算上老板只有31名员工,名义上是飞利浦的子公司,但是只能挤在飞利浦总部大楼旁,临时搭建起的板房里。

那么一个30人的创业团队,是如何逆袭日本半导体 巨头 ?阿斯麦和尼康的经历,对我们又有什么启发呢?

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天崩开局

芯片领域有一个众所周知的摩尔定律,集成电路上的晶体管数目,每18个月增加一倍,也就意味着晶体管要不断缩小,光刻机厂商则要交付相应的设备出来。

光刻机,可以简单理解为超高精度的照相机,把设计好的电路图投射在硅片上。这么一说,是不是感觉听着尼康造光刻机就挺靠谱的?

上世纪60年代,光刻机的门槛并不是很高,不高到三十人团队的ASM(阿斯麦前身)也能进入这个行业。

但当时的ASM,既没有技术也没有规模,处处碰壁,连年亏损。没人觉得ASM能有什么未来,甚至飞利浦在烧了20年的钱之后,找人接盘光刻机业务时,正眼都不看ASM一眼。

飞利浦没想到的是,他这么看ASM,别人也是这么看飞利浦,最后没人愿意搭理的飞利浦和ASM勉强凑到了一起,1984年,双方合资成立阿斯麦。

飞利浦以还没做好的光刻机出资,不再提供经费,也不提供办公室,即便如此,ASM也不得不与飞利浦平分股权,31人的团队就在飞利浦大楼下的漏水棚子里办公。

飞利浦还想尽可能节省资金,财务部门起草了合资企业必须支付的费用清单,包括制造20台光刻机所需的费用,以至于阿斯麦“买杯咖啡就会破产”。

这时的阿斯麦,就像一艘四处漏水的小船,好不容易才凑足了水手,修修补补之后起航,结果刚一出海就遇到了暴风雨。

1986年,阿斯麦刚研发出新一代的光刻机,半导体市场就迎来了大萧条,大量光刻机厂商亏损倒闭,入不敷出的ASM从阿斯麦撤资,飞利浦含泪扛下了所有。

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尼康称雄

阿斯麦成立的1984年,靠着不断推陈出新的尼康已经揭竿而起,成为了光刻机市场的头号玩家。

相比于竞争对手依靠产业链,尼康的特点是零件技术全部自己搞定,优势是更新迭代快人半步。

就靠着这半步的优势,1984年,尼康市场份额达到三成,与美国光刻机巨头平起平坐,英特尔、IBM、AMD等每天排队等着尼康的新产品下线,和今天眼巴巴等着阿斯麦出货别无二致。

随着行业陷入衰退,美国绝大多数光刻机厂商都爆发了财务危机,昔日垄断市场的美国巨头相继被收购,到80年代末,美国光刻机巨头的地位,已经完全被日本的微影双雄(尼康和佳能)取代,即便美国两度逼迫日本签订半导体协定,也没能改变美国光刻机没落的趋势。

当然也正是此时日本光刻机的风光无限,以及对美国的绝对碾压,为日后的衰落埋下了伏笔。

对于阿斯麦来说,尽管当时的形势异常艰难,但事后来看却是天赐良机。

因为如果当时市场欣欣向荣,阿斯麦落后的产品卖不掉,很有可能迅速失败。而市场不振,恰好给了阿斯麦喘息和修炼内功的机会。

第一个转折点出现在1991年,经过了行业寒冬及大洗牌之后,阿斯麦推出了业界领先的突破性产品:PAS 5000,带来了台积电、三星、现代几家关键客户,阿斯麦的名气随之迅速打响。

1995年,阿斯麦在阿姆斯特丹和纽交所上市,熬出头的飞利浦,直接在IPO时出售了一半的股份,之后几年陆续卖光离场。

此时的阿斯麦,终于进入了光刻机巨头的行列,市场形成尼康、佳能、阿斯麦三分天下的局面。

这时同样一个难题摆在他们面前,那就是,如何突破193nm。

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阿斯麦崛起

根据这个公式(瑞利方程),要降低R(光刻机分辨率)就需要降低k1或λ,或者提高NA。

R=k1*(λ/NA)

当时最直接有效的方法,是降低光源的波长λ,但是这条路那会基本走到头了,短期难以突破,各大厂商提出了种种方案,最终全部以失败告终。

他们败给了台积电一个叫林本坚的鬼才工程师,和一个近乎异想天开的方案。林本坚跳出公式,用高中物理知识解决了困扰全行业的难题。

林本坚

之前的介质是空气,如果把介质换成水,通过水的折射,就能从193nm直接跨越到134nm。

听起来很美好,但毕竟只是理论,能不能实现还有无数问题要解决,所以林本坚带着ppt到美国、日本、德国等跑了一大圈,根本没人买账。

原因除了技术太“鬼才”,还有非常重要的一点是颠覆性创新的沉没成本实在太高,各家公司已经在原来的技术路径上投入了太多,所以有些公司不但不理,甚至向台积电施压,要求雪藏林本坚。

不过当林本坚跑到荷兰时,阿斯麦决定赌一把。

当然也不能完全说是赌,阿斯麦一直有赛马机制,在难以判断孰优孰劣时,多花点研发经费,让两个团队在两条技术路径上赛马,当年让阿斯麦起死回生的PAS 5500的研发,也是采用的赛马机制。

2003年,阿斯麦和台积电合作研发出首台浸入式光刻机,成功进化到了134nm,第二年,尼康才推出157nm的干式光刻机。

这一次,尼康不但慢了半步,而且还技不如人。随后意识到大事不妙的尼康也转向浸入式光刻机,但为时已晚。

自此,阿斯麦开始全面碾压其他对手,到2010年,阿斯麦的市场份额突破60%,尼康则从50%左右跌到20%左右。

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结局已定?

如今回过头看,尼康的失败,还不仅仅是因为这一次技术路线选择的问题。

因为在下一代光刻机EUV上,尼康早已失了先机。

1997年,英特尔为了突破193nm,选择了激进的EUV方案,记得咱们开头提到的只有阿斯麦能造EUV光刻机吗,没错,开端就在这里。

英特尔组织了一个EUV联盟,联盟中除了AMD、IBM这样的产业巨头,还有美国的三大国家实验室,这几个实验室日常研究的都是核武器、超级计算机这样的东西,万事俱备,就缺个像样的光刻机制造商,偏偏美国本土的光刻机企业,一个能打的都没有。

尼康和阿斯麦能打,但都不是美国本土企业,怎么选?

专家给国会的汇报中这么说,“尼康可能会将技术转移回日本,从而彻底消灭美国光刻机产业”。

刚在日本这吃过亏的美国,只能选择阿斯麦。

后面的一切似乎都顺理成章,阿斯麦集全球制造业精华,成功在2015年造出了EUV“印钞机”,英特尔、台积电、三星,先后入股阿斯麦,如今美国资本集团、贝莱德是阿斯麦的前两大股东,阿斯麦成了半个美国公司。

不过我们所面对的,也并非是铁板一块,阿斯麦是半个美国公司,但也只是半个。至于封锁的影响也是两方面的,一方面会掣肘技术发展,但另一方面也会加速国产替代,就像阿斯麦CEO所言,“出口管制,只会加速中国的科技自主。”

关于阿斯麦的崛起,有人会强调合作,强调阿斯麦是集大成者,但现实很残酷,阿斯麦的成功路径,不是谁都可以复刻。

但回顾阿斯麦的发展史,从阿斯麦数次濒临破产,到成为全球光刻机霸主的过程中,可以发现无数的绝境,以及无数的绝境逢生。

现在是很艰难,但没有自主就没有自由,未来只会更难。

尽管今天落后,但在技术路径决定一切的光刻机市场,尼康、阿斯麦可以后来居上,下一个阿斯麦,为什么不会诞生在中国?

参考文献:

1.US Wants Dutch Supplier to Stop Selling Chipmaking Gear to China,Jillian Deutsch

2.ASML CEO warns Europe not to ban export of technology to China,Kimanthi Sammy

3.光刻机之战,陈兴华

4.光刻机大败局,刘芮 等

5.从“小破厂”到全球一哥,光刻机巨头ASML的周期逆袭史,经纬创投

6.复盘 ASML 发展历程,探寻本土光刻 产业链 投资机会,倪正洋

7.摘取光刻机皇冠上的明珠——ASML,胡小禹等