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4月12日,彭博社以《美国曾有机会引领芯片制造,但却错过了》为题撰文。
5 q. p' I' [" g0 b, [; @文章指出,美国早期曾在半导体技术开发上发挥了至关重要的作用,但现在荷兰企业ASML垄断了关键芯片制造工具极紫外光刻机(EUV)的生产,台积电、三星等亚洲企业主导了先进芯片制造。
( t; A3 v/ J4 y4 u# Y; v" ^这篇文章认为,美国错失引领芯片制造的关键原因在于EUV光刻机。首先,早期很少有行业高管认可EUV可行;第二,曾经全球最大的芯片制造商英特尔,对何时引入EUV发生了误判。0 h; ?8 p4 o$ R3 M
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9 c; H z) f* c5 i% o L: M彭博社报道截图* O Y5 B5 G8 H: E2 B. a
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观察者网编译原文如下:; l& n* Y" C: g8 \& T- M* ]
这是一次史无前例的战略失误。9 e+ P# D9 q' ^% x- {: E
早期,美国在开发半导体技术方面发挥了至关重要的作用,而半导体技术是当今人工智能革命的基础。然而,现在是一家荷兰公司垄断了这一过程,亚洲制造商主导了生产。
, k/ x6 o4 H. F3 c$ r f2 C( L3 e# S# O极紫外光刻机(EUV)可以说是目前世界上最重要的电子设备。5 X: f3 I/ `" N
它们的出现,使得芯片制造能力实现了跃升,为新一代人工智能发展铺平了道路。人工智能平台(如OpenAI的ChatGPT和谷歌的Gemini)执行了大量并行计算,代替了通常由人类来执行的大量任务。
5 i7 h' Y2 N# f" B' d$ B这使获得EUV技术成为美国等大国的国家经济安全问题。现在的问题是,EUV仅由一家公司制造:ASML。每台EUV都有一辆公共汽车那么大,成本超过2亿美元。迄今为止,ASML已售出200多台EUV,使该公司成为欧洲最有价值的科技股,市值超过3500亿美元。
3 W7 O1 o# U/ M. X3 f* L# t美国是如何放弃对这一关键技术控制的?部分原因是,早期在半导体行业中,很少高管认为EUV是可行的。另一个原因是,一直是全球最大芯片制造商的英特尔公司,发生了误判。
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; Z. N* L0 k# Y2 J" CEUV光刻机内部结构* n% k# F1 u+ }& v; d7 t" R9 w0 X
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# p0 f) {1 w2 Z6 `% v抛开日本,支持ASML等研发EUV+ V6 z, e1 z9 j9 ^9 P3 f
半导体芯片由晶体管组成——本质上是一系列门和开关,它们是现代计算中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个晶体管大约有一厘米长。现在它们只有几纳米,或者说十亿分之几米宽。* [+ g7 D! v. k! J" u! u9 {
在芯片制造的最初几十年里,可见光被用来在硅片上刻蚀图案来制造晶体管——这一过程被称为光刻——然后该行业才转向紫外光。
/ b3 i9 f0 a1 t$ V在20世纪80年代,科学家们开始探索芯片制造如何才能达到接近原子的体积,以保持创新的步伐。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光技术,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,该部门最终为这项研究投入了数千万美元。$ a3 P0 N: @0 s5 p2 h) O: Y4 u
随着这些机构在一些技术要素上取得进展,他们意识到,要将极紫外光技术推向市场,行业支持是必不可少的。1997年,一家名为EUV LLC的公私合营组织成立,其中包括美国公司英特尔、AMD和摩托罗拉。这个组织最终扩大到包括光刻技术公司硅谷集团和ASML,后者也参与了欧洲一个类似的EUV研究联盟。
' J( i w& a% Y, P# T- P: F Z, Y当时,日本的尼康和佳能是光刻领域最大的玩家,而日本似乎是美国在芯片制造领域主导地位的最大威胁。因此,华盛顿不愿在下一代技术的竞赛中帮助这个亚洲国家,而是支持硅谷集团和ASML。这家荷兰公司在EUV上重金押注。2001年,ASML斥资11亿美元收购了硅谷集团,成为EUV竞争中仅剩的一个玩家。当时,它预计到2006年EUV将具有商业可行性。9 ?. |) {: n2 k$ i1 [* H
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英特尔美国芯片工厂- e3 A) V/ @6 {& T- V
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英特尔发生误判
% d% t/ h- G+ w3 v, I$ S事实证明,这种看法过于乐观。这项技术非常复杂。它包括用高功率激光以每秒5万次的速度轰击锡滴,产生能发射极紫外光的等离子体。这样的光在地球上不会自然产生,事实上它会被空气吸收,这个过程必须在真空中进行。然后,光线被一系列镜子聚焦,反射到一个准星上。掩膜上的图案,可以阻挡和吸收一些光线,这样就形成了要蚀刻到芯片上的电路图案。
% X0 \$ F A4 K0 k% K0 g3 f# N由于这些东西的运行规模,由德国蔡司公司制造的镜子必须要光滑得近乎不可思议:最大的瑕疵只有一个原子那么高。ASML表示,如果镜子按比例放大到一个国家的大小,那么最高的凸起将只有1毫米高。用激光轰击熔化的锡很麻烦。它需要定期清理,这意味着有很多停机时间。这使得人们很难想象这种机器是如何做到经济实惠的:半导体制造设备几乎需要每周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。
) m/ u' q ~9 v3 v直到2012年,业界才开始认为这项技术可能是可行的。而且它仍然需要注入大量的资金。因此,ASML转向了其最大的客户:台积电投资14亿美元,三星电子投资9.74亿美元,英特尔投资41亿美元。当时,这三家芯片制造商总共持有ASML约四分之一的股票。, j4 n! V- r2 j
这一策略奏效了。到2018年,ASML开始大量出货EUV。尽管早期的大部分运转都是在美国完成的,而英特尔是ASML最大的行业支持者,但第一代EUV设备没有一台运往英特尔。
o+ G" F" Z0 n* F8 E) j- \( Y/ c这并不是ASML的选择,而是英特尔的。! w2 q6 a. t3 Q, u
当时英特尔的首席执行官布莱恩·科再奇(Brian Krzanich)对这项技术能否产生规模经济效应没有信心。他把赌注押在了现有技术能够继续发挥作用上,直到他所看到的EUV问题得到解决。他有充分的理由充满自信:英特尔在尖端芯片制造工艺方面一直领先于同行。$ c: e! I( q1 r5 A1 w
事实证明这是一个错误。使用EUV工艺的台积电在2018年左右首次在技术上超过英特尔。包括苹果、英伟达和AMD在内的科技公司自己设计芯片,然后委托台积电制造。与此同时,英特尔正努力使用替代的“多重图形化”芯片光刻技术可靠地工作。当它将工艺调整到可以大规模生产的程度时,台积电和三星已经在生产更先进的半导体了。
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英特尔、英伟达和台积电市值对比
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英特尔高管不想重蹈覆辙
- b8 y% l& X* K3 q% G, A时至今日,英特尔仍在被当初的误判所困扰。5 g0 G. }0 H! B [) t: O+ W
2021年接任英特尔首席执行官的帕特•基辛格今年4月表示:“我们采取了很多措施来避免对EUV的需求,但正如你所看到的,这导致芯片功率、性能、面积和成本方面都存在不足。”
" _7 w$ O+ e) i) C4 G6 u6 d5 H股市证明了这个错误的严重程度。早在2012年投资ASML时,英特尔的市值是英伟达的15倍,几乎是台积电的2倍。现在,英特尔的规模只是这两家公司的一小部分:英特尔的市值为1640亿美元,台积电的市值为6500亿美元,英伟达的市值为2.2万亿美元。- `4 ]# I$ z0 x' a" ]( J) A9 o
这在很大程度上是由于英特尔没有接触到EUV技术。基辛格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:高数值孔径。这种设备使用新的光学系统将光线聚焦到一个更小的点,该公司已经在俄勒冈州的一个地方安装了第一个预生产模型。9 H$ _% u5 {& Y/ m& I2 F9 n
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