## 《芯片战争》4：有史以来最复杂的机器

我们继续讲克里斯·米勒的《芯片战争》这本书。这一讲咱们说说能生产7纳米以下的芯片的那种光刻机，是怎么造出来的。这是一个涉及到科技和管理、战略眼光和勇气、地缘政治和全球化、应对现在和豪赌未来的故事。不管你以前是如何理解「企业研发」的，我敢说这个故事所讲的研发，绝对不是你想的那种研发。你会有一个观念跃迁。

芯片是我们这个时代最神奇的产品，但它也是一种特别可靠的产品。手机里有很多个芯片，可是如果谁的手机坏了，一般都是屏幕坏了或者里面某个会活动的小组件坏了，你大概没听说过芯片坏了。芯片这个东西几乎就不会坏，因为它就是一个硅块，上面一个活动的部件都没有，甚至连一点金属都没有。无数个晶体管不是被“安装”在芯片上，而是被“刻”在芯片上的，就如同印刷一本书。

问题是，用什么东西刻呢？

光刻机，是人类有史以来最复杂的机器。我相信它比大飞机、火箭、宇宙飞船、包括詹姆斯·韦布太空望远镜都要复杂，都要高难度。因为那些东西的制造技术至少在原则上可以由一个国家掌握，但是没有任何一个国家能掌握最尖端光刻机的全套制造技术。

研发光刻机，是一个绝对意义上的跨国工程。咱们从头说起。

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光刻的基本原理一直都没有变，就是用光把芯片蓝图缩小，投影到硅片上，跟表面化学物质发生反应完成刻蚀。最早的光刻用的就是普通光源，而普通光源的极限精度是几百个纳米（1纳米=10^-9米）。要想在单位面积上继续增加晶体管，就得提高光刻精度，就得用波长更短的光。一开始是用紫外光、然后是深紫外光，很快深紫外光也会到达瓶颈。每两年就能让晶体管密度增加一倍的摩尔定律，似乎即将结束。

最不希望摩尔定律到顶的就是英特尔公司，因为英特尔的CPU性能是跟着摩尔定律成长的。所以英特尔CEO安迪·格鲁夫力推开发新的光刻技术。

接下来的事情大约可以分为三步。

第一步是「科学上的可能性」。这一步纯属务虚，你只要在物理学上大概弄出来一个原理就行。英特尔投了一大笔钱，主要研究是在美国的几个国家实验室做的，特别是劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory） 和桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）。

科学家设想了各种方法——一直到今天也有各种新设想——但在1992年，各方的共识是应该使用波长为13.5纳米的「极紫外光（EUV）」。

注意这只是一个设想。可能某个科学家在实验室里用极紫外光在硅片上做了一点事情，但是这距离做出来光刻机还差得很远。科学阶段的研究都是公开的，谁都可以做谁都可以学。

第二步是「技术上的可行性」。这一步就不能由着科学家小打小闹了，必须投入巨资让工程师参与。

1996年，英特尔联合几家芯片厂和几个国家实验室成立了一个联盟，全力开发光刻技术。英特尔承担了大部分经费。历经数年，才算大致知道极紫外光刻机应该怎么实现。

第三步才是具体实现。英特尔主导了前期的研发但是自己并不打算制造光刻机，因为它觉得造光刻机不如造芯片赚钱。英特尔只要确保有一家公司能造出光刻机就行。

当时美国的光刻机生产商GCA已经破产，全世界只有三家公司有可能造出来极紫外光刻机，包括日本的佳能和尼康，荷兰的ASML。美国不想把这么关键的技术给日本，最后ASML得到了制造极紫外光刻机的技术授权。当时的美国正在享受单极时刻，推崇全球化，对荷兰几乎不设防。美国唯一的要求是ASML必须把几个关键部件留在美国生产。

但ASML也不是拿过来就能干，从技术上可行到实现产品化，还有十万八千里。

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那简直是一个不可思议的技术方案。

首先你需要得到极紫外光。世界上并不存在什么灯泡能直接给你极紫外光。你必须先制造一种直径是三千万分之一米的小锡球，让小锡球以每小时200英里的速度在真空中移动，然后用激光对小锡球进行两次打击。第一次是提高小锡球的温度，第二次是让小锡球爆炸，把它变成温度达到50万度的等离子体——这个温度已经比太阳表面的温度还要高得多。这个喷射锡的过程每秒钟要重复5万次，你才能得到可以用来光刻的极紫外光。

这个过程说着……“简单”，但是每一步都需要创新。你得找一家叫通快（Trumpf）的德国公司开发那个激光器。他家的专长就是二氧化碳激光器，但是其每次产生的能量中有80%是热，只有20%是激光。这就有个散热问题。以前都是用风扇散热，可是光刻机要求风扇每秒钟要转1000次，没有一个物理轴承能承受这样的风扇。于是通快专门开发了一个磁悬浮风扇……

有了激光，用激光轰击锡球的时候，锡球反光怎么办？怎么保证锡球气体的密度是恒定的？这些都是问题。特别是要引导激光打向锡球，你需要用工业钻石。可是现有的工业钻石纯度不够，你必须再开发一种新型的超高纯度钻石。

结果光这台激光器，通快公司就用了十年才生产出来。这台激光器自己就有457,329个零部件。

用激光器打锡球成功了，你还得把产生的极紫外光收集起来，为此你需要镜子。可是极紫外光的波长太短，打在一般东西上都被吸收了，并不会被反射！

有一篇1998年的论文说可以用金属钼和硅交替排列制作能反射极紫外光的镜子。研究人员一算发现这个镜子必须是分层的：一层金属钼一层硅交替排列，每层的厚度只有几纳米，而且要做一百层。后来又是一家叫蔡斯（Zeiss）的德国公司把这个镜子做出来了——那应该是有史以来最光滑的物体，比詹姆斯·韦布太空望远镜的镜面还要光滑，号称你要是把镜子放大到整个德国那么大，其中凹凸不规则的部分，也只有1/10毫米。我还特意查了一下，发现蔡斯也参与了韦布的光学系统制作 [1]。

整个光刻过程差不多是像下面图中这样：二氧化碳激光器轰击锡球得到极紫外光，再用镜子把极紫外光收集起来透射到硅片上——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022112814/1792737854217071308/112814.png)

最终完成的光刻机有火车头大小，有数十万个零部件……

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022112814/1792738022794537956/112814.png)

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022112814/1792738082924004828/112814.png)

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ASML最厉害的本事还不是这些具体的研发工作，而是对供应商的协调和管理。

ASML自己只能生产15%的零部件。其他的零部件，往往别的公司也没有现成的，需要研发。像前面说的做激光器和做镜子的那两个德国公司，得投入巨资长期研发才行。而光刻机的供应商总共有数千家公司。

那你怎么管理这些供应商、怎么说服他们研发、怎么确保他们研发成功？这里面有大学问。ASML一方面是直接赞助研发，比如它给德国蔡斯公司提供了10亿美元去搞镜子；另一方面强调标准和纪律：如果有哪个供应商不听话，ASML可能会收购他。

到2010年代末，经过了二三十年，ASML终于把极紫外光刻技术光刻机给做出来了。

当然它一家的资金撑不起这么大的项目。整个研发过程中英特尔、三星和台积电都给ASML提供了投资，其中投的最多的就是英特尔，总共投了几十亿美元。

那你说现在光刻机终于研发成功，英特尔又投入了那么多钱，那你英特尔就赶紧买几台回去生产芯片呗？

并没有。英特尔突然对极紫外光刻机不感兴趣了。

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这绝对是一个可以写进商学院案例的操作……但是是作为教训的案例。

英特尔的两位英雄，安迪·格鲁夫已经在2016年去世，而且之前就已经退休；戈登·摩尔现在已经90多岁，也早就不管事了。英特尔新一代管理层，对掌控未来的芯片技术并不十分热心。

这是因为英特尔已经掌控了现在。安迪·格鲁夫早在九十年代就把英特尔业务给理顺了。所有主流计算机和服务器的CPU都是英特尔的。英特尔还搞了一个「护城河」，这就是它的X86架构。

你要用个人电脑，你就得用Windows操作系统，而操作系统是基于英特尔的X86架构写的。这就让你很难再搞一个新的架构，也就很难摆脱英特尔。

所以英特尔生产芯片就好像印钞一样。从80年代末到现在，英特尔的总利润，高达2500亿美元。

那既然这么有钱，为什么不搞新技术呢？这可能是华尔街上市公司一个内在缺陷：你希望财务报表好看。财务报表要好看，你的利润率就必须很高。新一代光刻机非常非常昂贵，买回来还不知道有多大用处，体现在报表上就会让公司利润率下降，而华尔街不喜欢利润率下降。

追求利润率也许有道理。当初IBM为什么把笔记本业务卖给了联想？并不是因为笔记本不赚钱——而是因为笔记本的利润率没有做企业服务的利润率高。IBM想要轻装上阵，只做高利润率项目。英特尔大约也是这么想的。

但是从长远角度考虑，这等于是为了现在放弃未来。这其实就是哈佛教授克莱顿•克里斯坦森（Clayton M. Christensen）说的那个「创新者的窘境」：领先公司不会真去搞什么颠覆式创新，因为没必要。

而据米勒考证，当初英特尔公司管理层上上下下都读过《创新者的窘境》那本书！但是他们还是陷入了创新者的窘境。这大概就是窘境的厉害之处，道理要是有用就不叫窘境了。

总而言之，英特尔把极紫外光刻机的先机，拱手让给了别人。

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其实极紫外光刻机真正的用武之地是智能手机芯片。只有智能手机需要非常小、非常省电的芯片，才会用到那么高的工艺。对英特尔自家的个人电脑和服务器市场来说，暂时不用太担心摩尔定律。你看英特尔的CPU早就不再强调主频了。

英特尔没有看到手机市场的前景。本来苹果公司的电脑已经用上了英特尔的CPU，乔布斯还直接问过英特尔CEO，说你们能不能也帮我们生产iPhone上的芯片，而英特尔不感兴趣。英特尔不相信iPhone会有很大的市场，认为专门开发手机芯片是不值得的。

于是苹果公司选择自己设计手机芯片，并且转向了ARM架构。其实ARM架构本来就比X86架构好，特点是节省功耗，更适合手机。苹果本来就有ARM公司的股份，后来又通过收购拥有了自己的芯片设计团队。结果苹果从iPhone4开始就用上了自家设计，开始是三星、后来是台积电制造的芯片。

英特尔不但错过了极紫外光刻业务的先手、错过手机芯片市场，而且还错过了人工智能芯片。咱们事后看，当初英特尔管理层真是肉食者鄙未能远谋，结果现在英特尔的股价也不行了。

但是如果让你重返历史现场，恐怕你也未必敢豪赌极紫外光刻机。

你要知道那是一种非常、非常贵的机器。每台价格超过一亿美元不说，买回来还有极高的维护成本。ASML尽了最大的努力，让光刻机的每个零部件平均至少可以使用三万个小时而不坏。但是考虑到光刻机有那么多零部件，它们不会同时坏，ASML还开发了一个预测性的算法，能大概判断什么时候哪个零件该坏了……但就是这样，它也必须派人在现场盯着，随时维修。

生产高端芯片是一种投资惊人、风险巨大而又十分麻烦的业务。英特尔不想干也是情有可原。

但有一个人却是认准了要干。他几乎是以一己之力，改写了世界芯片制造的权力格局。

此人眼光卓绝，布局深远，豪情了得。咱们下一讲单说他。你听说了他的故事，恐怕也会赞一句「生子当如张忠谋」。

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022112814/1792738147348589260/112814.jpeg)

注释

[1] https://www.universetoday.com/11169/zeiss-optics-in-hubbles-successor/

### 💡 精华要点
- 1.光刻机，是人类有史以来最复杂的机器。研发光刻机，是一个绝对意义上的跨国工程。
- 2.英特尔不但错过了极紫外光刻业务的先手、错过手机芯片市场，而且还错过了人工智能芯片。咱们事后看，当初英特尔管理层真是肉食者鄙未能远谋，结果现在英特尔的股价也不行了。
