为何被阿斯麦、台积电反超？ 美媒揭秘美国芯片的“史诗级失误”

刘绪刚

                               
登录/注册后可看大图

阿斯麦的High-NA EUV光刻机

凤凰网科技讯 北京时间4月12日，美国媒体周四发表文章，反思了美国在半导体发展过程中从领先到落后的原因，其中包括本土芯片巨头英特尔的误判。
以下是文章主要内容：
这是一个史诗级的战略失误。
美国在半导体技术发展的早期发挥了至关重要的作用，这项技术已成为当今人工智能(AI)革命的基石。然而，现在的格局是，一家荷兰公司垄断了半导体制造设备，亚洲制造商主导了生产。
极紫外光刻机(EUV)可以说是目前世界上最重要的电子设备。它的问世造就了后来的尖端芯片制造，实现了芯片处理能力的重大提升，为新一代AI工具铺平了道路。OpenAI旗下ChatGPT、谷歌Gemini等AI平台执行的大量多层次计算，加快了通常由人类完成的大量任务。EUV技术的获取也成为了美国的国家经济安全问题。
不过，麻烦的是，只有一家公司在生产EUV光刻机：荷兰的阿斯麦。每台EUV光刻机有一辆公共汽车那么大，造价超过2亿美元。迄今为止，阿斯麦已售出200多台EUV光刻机，这让它成为了欧洲最有价值的科技股，市值超过3500亿美元。

                               
登录/注册后可看大图

英特尔市值已远远落后于台积电、英伟达

那么，美国是如何拱手让出这一关键技术的控制权的呢？其中部分原因是，只有相对较少的芯片行业高管认为EUV可行。另一个原因是：美国当时的长期芯片霸主、全球最大芯片制造商英特尔的误判。
美国的先发优势
硅芯片由晶体管组成，后者本质上是一系列栅极和开关，构成了现代计算中0和1的物理表现。为了使计算机更强大，半导体工程师们一直在寻求把晶体管做得更小。上个世纪中叶发明的第一批晶体管大约有一厘米长。而现在，它们只有几纳米宽，或者说十亿分之几米。
在芯片制造的最初几十年里，可见光被用来在硅上刻蚀图案来制造晶体管，这一过程被称为光刻。随后，行业才转向紫外光。20世纪80年代，科学家们开始想知道芯片制造如何才能达到接近原子的尺度水平，这要求他们保持创新的步伐。总部位于新泽西州的贝尔实验室的研究人员开始研究极紫外线技术，紧随其后的是美国能源部的三个国家实验室：劳伦斯利弗莫尔实验室、劳伦斯伯克利实验室和桑迪亚实验室。美国能源部最终为这项研究投入了数千万美元。

                               
登录/注册后可看大图

英特尔

随着这些实验室在一些技术要素上取得进展，他们意识到，要将极紫外线技术推向市场，行业支持是必不可少的。1997年，一家名为EUV LLC的公私合营公司成立，它得到了美国公司英特尔、AMD和摩托罗拉的支持。最终，它的规模进一步扩大，纳入了光刻公司硅谷集团和阿斯麦。阿斯麦也加入了欧洲的一个类似EUV研究联盟。
当时，日本的尼康、佳能是光刻领域的巨头。日本似乎是美国主导芯片制造领域的最大威胁。因此，美国不愿在下一代技术竞赛中帮助日本，而是支持硅谷集团和阿斯麦。阿斯麦将全部精力都放在了EUV技术上，并在接下来几年里试图发挥其潜能。2001年，阿斯麦斥资11亿美元收购了硅谷集团 ，从而在EUV竞争中独当一面。当时，它预计EUV技术将在2006年具有商业可行性。
技术挑战
但是，事实证明，阿斯麦的预期过于乐观了。EUV技术非常复杂，其中涉及用高功率激光以每秒5万次的速度轰击锡滴，使其产生能够发射极紫外光的等离子体。由于极紫外光在地球上不会自然产生，它会被空气吸收，这个过程必须在真空中进行。然后，光被一系列镜子聚焦，反射在一个掩膜版(reticle)上。掩膜版上面刻有电路图案，能阻挡并吸收一些光。通过这种方式，电路图案被刻蚀在晶圆上。

                               
登录/注册后可看大图

掩膜版的作用

鉴于这些设备的操作精度，由德国蔡司公司制造的镜子必须要光滑得近乎不可思议：最大凸起只有一个原子那么高。阿斯麦表示，如果将镜子比做一个国家，那么最高的凸起将只有1毫米高。而且，用激光轰击熔锡也很棘手。它需要定期清理，这意味着有很多停机时间。这让人很难想象光刻机是如何做到经济实惠的：半导体制造工厂几乎需要每周7天、每天24小时不停地运转，才能证明数十亿美元的建造成本是合理的。
直到2012年，半导体产业才开始认为这项技术可能是可行的。但是，它仍然需要注入大量资金。于是，阿斯麦求助其最大客户：台积电投资了14亿美元，三星电子投资了9.74亿美元，英特尔投资高达41亿美元。当时，这三家芯片制造商总共持有阿斯麦约四分之一的股票。
误判的代价
这一招奏效了。2018年，阿斯麦开始大量出货EUV光刻机。尽管EUV技术的大部分早期工作都是在美国完成的，而且英特尔是阿斯麦的最大业内支持者，但第一代机器没有一台是交付给英特尔的。
这并不是阿斯麦有意为之，而是英特尔的选择。英特尔时任CEO科再奇(Brian Krzanich)当时并不相信这项技术能够达到在经济上可行的规模。他继续押宝已有技术，直到他所看到的EUV问题得到解决。当时，他也有理由感到自信：英特尔在尖端芯片制造工艺方面一直领先于同行。
事实证明，这是一个误判。台积电使用EUV工艺的在2018年左右首次在技术上超过英特尔。台积电做的是所谓的代工业务：苹果、英伟达和AMD等客户设计自己的芯片，然后委托给台积电制造。

                               
登录/注册后可看大图

英特尔制造工艺被台积电甩开

与此同时，英特尔替代EUV的“多图案”芯片光刻技术无法可靠地工作。当英特尔将工艺微调到可以大规模生产时，台积电和三星已经在生产更先进的半导体了。
技术上的落后对美国产生了更深层次的影响，因为台积电还向华为等中国公司供货。从2019年开始，EUV技术制造的芯片被搭载在华为智能手机上。这么一来，一项部分由美国资本资助、部分基础研究在美国实验室进行的技术，似乎可能会让它的对手受益。于是，美国开始施压荷兰政府，阻止阿斯麦向中国出售EUV光刻机。
亡羊补牢
现在，英特尔仍在为当初的误判而痛苦。
帕特·基辛格(Pat Gelsinger)在2021年接任英特尔CEO，他在今年4月表示：“我们当初采取了很多措施来避免对EUV的需求，但正如你所看到的，这导致我们在功率、性能、面积和成本方面落后了。”
股市表现也说明了这个错误的严重程度。早在2012年投资阿斯麦时，英特尔的市值是英伟达的15倍，几乎是台积电的两倍。现在，它的市值已无法和这两家公司相提并论：英特尔现在的市值为1640亿美元，而台积电的市值达到了6500亿美元，英伟达的市值更是冲到了2.2万亿美元。这在很大程度上是因为英特尔没有采用EUV技术。
如今，基辛格正急于确保自己不会重蹈前任的覆辙。英特尔正在大力支持下一代EUV技术：高数值孔径(High NA)，这种技术使用新的光学系统将光线聚焦到一个更小的点。英特尔已经在俄勒冈州的一个工厂安装了第一个预生产模型。(作者/箫雨)