ASML光刻机PK 原子弹，难度？

Posted 2021-02-19 wujianming-110117

ASML光刻机PK 原子弹，难度？

一.  物理世界和网络世界的交汇点：光刻机

 

 光刻机的技术有多高级，看看这个知乎提问，可以感受一下：

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。

它大概长这样。

 

 光刻机示意图

 别看说得这么热闹，其实这玩意儿的工作原理就是用“紫外线”作刀，对晶圆进行雕刻，让芯片上的电路变成人们想要的图案。四个字形容：“硅上雕花”，跟扬州修脚的“肉上雕花”一个意思。

 

 

 这是刻出的芯片图案 

不过，同样是“雕花”，你看看数据就知道光刻机比修脚师傅厉害到不知哪里去了。

现在最先进的EUV光刻机可以做到的“雕刻精度”是7nm，这相当于一根头发的万分之一。由于要达到这样的雕刻精度，在雕刻的过程中晶圆需要被快速移动，每次移动10厘米，可是误差必须被控制在纳米级别。这种误差级别相当于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。

做出一个芯片大概需要3000步工序，由于每一步都是“硅上雕花”，有一定失败概率，三千步下来，要想让最终的成品合格率大于95%，那么每一步的失败率就必须小于0.001%。

为了达到这种效果，最先进的光刻机上有10w个零件。（一辆汽车大概是5000个零件）

光刻机就像科幻小说里的虫洞那样，这边是物理世界，那一边是赛博世界。 

 

 以前，全世界能批量生产高端光刻机的厂家只有三家，荷兰ASML，日本的尼康和佳能，但是最新一代光刻机研发烧钱烧得太邪乎，尼康和佳能基本已经弃疗了。目前，ASML一家占据全球光刻机市场的85%，利润的107%。

2012年，在研究最新的EUV光刻机时，ASML也觉得研发费用无底洞，想放弃，差点从ASML变成了AWSL。结果那些等着光刻机续命的芯片企业慌了，intel、三星、台积电从家里拿来大几十亿美元支持ASML，求它再坚持一下。于是，ASML终于造出了能制造7nm制程芯片的光刻机，每台卖一亿美元。

一亿美元，其实不贵，也就北京几套房。但问题仍然是：光刻机不是你想买就能买。说到这里，就要提到1996年签署的《瓦森纳协定》。瓦森纳协定本名叫“瓦森纳安排机制”。简单来说就是：美国带着他的小伙伴不把东西卖给别的国家。我不知道都有哪些国家被“安排”了。反正中国是被安排得明明白白的。 

 

 就拿光刻机来说，中国台湾的台积电想买多少有多少，而大陆版的“台积电”——中芯国际——订了一台7nm光刻机，据说到现在都没拿到出口许可证。于是，目前中芯国际最精细的制程是14nm。

这就导致一个结果：截止2020年春天，中国大陆没有制造7nm制程芯片的能力。而目前最尖端的芯片，例如华为手机的最新芯片（麒麟980、麒麟990）已经是7nm制程的，如果台积电被逼选边站搞事情，中国大陆企业就很难受。

中国可以生产光刻机吗？

答案是：可以。中国最牛的光刻机生产商是上海微电子装备公司（SMEE），它可以做到的最精密的加工制程是90nm，相当于2004年最新款的intel奔腾四处理器的水平。 

 

 SMEE的光刻机

 别小瞧这个90nm制程的能力。这已经足够驱动基础的国防和工业。哪怕是面对 “所有进口光刻机都瞬间停止工作” 这种极端的情况时，中国仍然有芯片可用。在这种情况下，“断供”就达不到“弄死人”的效果，最大的作用其实是“谈判筹码”，不会真的发生。

于是，计算力“基建”的最后一颗龙珠也基本稳住。这些芯片进入了服务器和移动设备，成为了云上算力和端上算力，组成了庞大的“互联网基建”，组成了下一个大时代的入场券。

二．“芯片”，出来混总是要还的

中国人一直想在芯片上摆脱“卡脖子”的，例如龙芯、飞腾、兆芯。最初确实想用这些芯片替代intel，进入中国的个人电脑市场。但是这条路已经被证明失败了。因为intel和windows形成了联合生态，想用windows，就得用 intel。当年把intel “引狼入室”的那一刻，就注定了很难再把intel替换掉。（别说中国人，美国人也换不掉。只不过intel“恰好”是个美国公司。）

 

 

 特德·霍夫是intel第12号员工，他发明了世界上第一个CPU。上图是他和第一款CPU intel 4004的示意图

但是，随着计算力作为基础设施存在，芯片的自主可控希望又回来了。因为人们需要的是计算力，而计算力底层是服务器，服务器底层才是芯片——只要能提供计算力，底下爱是什么芯片就是什么芯片。例如华为，就在做一款x86架构的“备胎”，基于ARM架构的处理器：鲲鹏处理器。

ARM和intel有什么区别呢？intel会把生产好的芯片卖给全世界，ARM却卖“图纸”——芯片IP授权。其他公司买了这个授权，可以自己找人去生产。简单说：如果把intel比作卖大米的，那么ARM就是卖种子的。如果没了大米，下个月就饿死。如果没了种子，明年才饿死。所以，你大概明白：从intel换到ARM，说白了是从一个依赖换成了另一个依赖，只不过依赖变小了。

不过，ARM 是一家英国公司。而且ARM被软银收购了，也算是一家日本公司，这和美国有关系吗？有关系。研究ARM芯片的主力工程师都是美国人，美国人威胁说：芯片里有超过25%的美国技术，美国不同意，ARM随便卖就违法！

2019年，ARM就因为美国的威逼利诱，宣布暂停和华为的合作。不过英国人也很刚，后来完成了法律方面的确认，说的技术跟美国人没关系，100%属于英国，想卖谁卖谁，继续和华为做生意。

看到这，你可能都烦了，怎么说来说去，芯片总也摆脱不了对美国的依赖啊？别急，接下来就到了的第四个里程碑。

4）计算力的第四座里程碑：芯片开源。

要我说，华为依附于ARM做了这么多年芯片，最主要的目的其实是锻炼一支可以“魔改”芯片的队伍，有朝一日找到新机会，这支队伍可以直接杀出去从头设计一套芯片。

其实，在芯片领域，已经出现了一个“没有国籍”的架构，这就是始于加州大学伯克利分校的RISC-V开源架构。开源，意味着全世界的大神都在给这个架构做贡献，代码也是完全免费公开的。于是，再也没有人可以用任何理由来控制它。

 

 

 RISC-V的处理器原型，2013年。

 说到这，又得说回咱们的梦想家，中国云计算第一把交椅的所有者，阿里巴巴。2018年，阿里巴巴收购了芯片公司“中天微”，重组为“平头哥”。这名字一看就是马云给起的，所谓“生死看淡，不服就干”。冲这名字，也是一场大战在所难免的节奏。平头哥推出的第一款芯片IP——玄铁910，就是基于RISC-V架构的。

当然，目前RISC-V架构主要用于“小玩意儿”上，例如物联网设备，难以作为服务器芯片。但是想当年ARM芯片也被认为是用在小玩意儿上的，如今不也被华为用来做服务器芯片么？有大佬认为，随着RISC-V的成熟进化，计算力会迅速提高，大概五年之后，它就可以应用在服务器上，作为排在intel一号备胎ARM后面的二号备胎。

这并不意味着云计算厂商真的要用RISC-V替换掉intel的芯片，只是如果中华民族真到了“最危险的时候”，intel不卖给中国芯片，ARM也不卖，那没有白面至少还有棒子面。但想饿死中国的计算力，那是不太可能了。

而且，在芯片领域正在发生一个影响极其深远的变化。受限于科学天花板，芯片技术的步伐已经放缓了，intel都被称为牙膏厂好久了。这个时候，要想提升计算力，最好的方法就是从“通用计算”变成“异构计算”。

“通用计算”和“异构计算”有啥区别？举个例子你就明白了。通用计算就像是大学生，学好数理化，走遍天下都不怕，绝大多数职业都能干。异构计算就像是博士后，在一个非常窄的行业里他是专家，但是如果逼他做其它行业的事情，很可能效率奇低。

例如，人工智能芯片就是典型的“异构计算”。在这个领域NVIDIA是领头羊，但并不是不可撼动的巨头。全世界有技术力量的公司都在开发属于自己的AI芯片，这其中也包括阿里巴巴、华为、百度等等。

综上所述，中国企业造芯片，各方面所受到的限制都在快速减少，中国芯片的春天才刚刚来临。

 其实都是芯片设计。然而，即使中国掌握了全球顶尖的芯片设计技术，还面临一个更巨大的问题：没办法把芯片造出来。因为，造芯片需要一种究极神器——光刻机。