半导体产业，谁卡着光刻机的脖子？
来源:是说芯语发布时间:2023-03-141920浏览
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01
1945年，二战接近尾声时，巴顿将军率领第三集团军，不顾破坏《雅尔塔协定》的风险，闯入划给苏联的东德占领区。他们的目标不是军事重镇，而是一家叫蔡司的公司。
这家公司是光学领域的佼佼者，战争期间为德军生产望远镜、测距仪、航空摄像机等，是德军武器装备的重要供应商。
当时战争尚未结束，但美苏两国已盯上了德国的科技资源，美国策划的“回形针行动”，向欧洲派遣了一支由3000名科学家和专家组成的的技术部队，评估筛选德国的科技资源。顺便说一句，钱学森当时也在这支特殊的队伍中。
蔡司公司，当时被美军列为首要目标之一。
当时美军的行动主要基于军工潜力方面的考虑，但恐怕谁也不会想到，这家靠生产光学镜头起家的家族企业，在大半个世纪后，仍能影响整个世界高科技产业链的格局。
今天，当我们讨论芯片面临的卡脖子困境时，谈论最多的，是光刻机，是阿斯麦(ASML)。但其实，光刻机背后，是一大批欧美的先进技术在支撑，而蔡司是其中最关键的一环。
目前最先进的极紫外光刻机(EUV)，需要极其精密的光学镜头，目前全世界只有蔡司一家能够做到，别无二家。
可以说，没有蔡司，就不会有EUV光刻机，也就不会有7nm以下芯片，也就不会有iPhone14这样强大的智能手机。
在油管上看到过一期关于蔡司与半导体工业的视频，标题就是“没有这家德国公司，整个现代文明都将崩塌”。这句话有些夸张，但很大程度上也确实反映了蔡司的重要性。
02
170多年来，蔡司镜头凭借完美的设计和高超的工艺技术，在光学领域始终走在世界最前列。
蔡司成立不久后，便与附近的耶拿大学建立了合作关系。1863年，耶拿大学一个叫恩斯特·阿贝的物理学家来到蔡司的车间，让蔡司给他制造几台做物理实验需要用到仪器。
这位物理学家后来成为蔡司的研究总监和股东，对蔡司产生了深远的影响。
阿贝将最前沿的光学理论引入到产品生产中。尤其是他1872 年提出的显微成像波动理论，基于数学模型来设计光学镜头，取代了过去低效的试错法，使蔡司成为光学领域的领先者。
1888年12月，公司创始人去世，阿贝做了个重要决定：把他所有的股份都放在一个名叫卡尔·蔡司的基金会里，他还拉来另外两家公司也加入基金会，并为基金会制定了章程。
按照章程，蔡司公司的利润为除了用于公司发展，剩余的利润通过基金会来资助科学研究、文化活动和员工福利计划。
阿贝还率先引入8小时工作制，提供带薪休假等福利，而当时德国的其他工厂，工人每天平均工作10小时。
那时候，是1900年。德国首任总统西奥多·豪伊斯称阿贝为“理性主义圣人”。
到1914年，第一次世界大战前夕，蔡司已经发展成为世界最大的相机生产公司，他们生产的双筒望远镜也大受军方欢迎，为公司带来了滚滚订单。
尽管20世纪上半叶战乱不断，德国又先后经历了两次世界大战，但蔡司的业务还是飞速扩张，从最开始的显微镜到相机、望远镜，再到后来的摄像机、天文望远镜，当年的小作坊，逐渐成为光学领域的无冕之王。
二战期间，蔡司生产的光学元件在德军武器装备中起到了重大作用。当然，战争后期当盟军对德国进行轰炸破坏时，蔡司也成为重要目标。
再接着，便是本文开头提到的“回形针行动”。
美国战略情报局先后将1600多名德国科学家和工程师转移，很多后来去了美国，其中最著名的是研发德国V-2火箭的冯·布劳恩。这些科学家为后来美国赢得太空竞赛打下了根基。
在这场行动中，蔡司的核心人才也被美军抢走，而迟了一步的苏联，只好把剩下的机器设备统统搬到苏联，蔡司也自此一分为二，在两种完全不同的体制下继续存活。
蔡司是一家在大众层面相对低调的公司，但在人类历史上很多重大历史时刻，都能看到它的身影。
1969年，阿波罗11号登陆月球，当时宇航员携带了两台哈苏相机，搭载的就是蔡司生产的镜头，在月球上拍下了众多意义非凡的照片。
这两台相机，至今仍留在月球上。
1989年，柏林墙倒塌，东西德已分开数十年的两家蔡司试图合并。
当时东德蔡司人员臃肿，有多达5万名员工，但其中许多人是只挂名不工作。对这个混得实在不怎么样的东德“表兄”，西德蔡司实在没啥兴趣，不过最后还是迫于政治压力勉强接受了合并。
其实，西德蔡司当时也有着自己的烦恼。
80年代，随着日本佳能、尼康的崛起，蔡司的镜头在相机领域开始失去竞争力，市场不断被蚕食，就连以前的老客户哈苏相机，也开始转向日本公司生产的镜头。
不过，就在这时候，一家成立不久的荷兰小公司找上门来，开始了与蔡司相爱相杀至今的传奇经历。
这家当时名不见经传的小公司，就是如今半导体产业皇冠上的明珠、光刻机领域的王者，阿斯麦(ASML)。
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03
ASML对半导体产业来说有多重要？用ASML总裁彼得·温宁克在2017年接受专访时说的一句话就是：
“如果我们交不出EUV光刻机，摩尔定律就会从此停止。”
目前，摩尔定律的极限已实现5nm制程，接近3nm、2nm，想要实现这一制程节点，就一定要用到荷兰ASML的EUV光刻机。
一台EUV售价高达1亿欧元，堪称印钞机，而且排队抢着买还不一定能买到。
不过回到上世纪80年代，ASML刚成立时，境况只能用惨淡来形容。ASML脱胎于大名鼎鼎的飞利浦，前期主要的技术来源也是飞利浦的NatLab实验室。不过，1984年从飞利浦独立出来时，ASML可以说是一穷二白，连办公场所都是在飞利浦旁边临时搭的“窝棚”。
好在当时公司有个比较能“画饼”的CEO，硬拉着一帮员工鼓舞士气，一步步搞出了被市场接受的光刻机。
不过，在摩尔定律推动下，随着集成电路的飞速发展，对光刻机的要求也越来越高，而对光刻机性能影响最关键的，是其中的光学元件。
ASML的工程师发现，他们之前的光学镜头供应商开始无法满足需要。找来找去，蔡司进入了荷兰人的视野。
当他们前往蔡司拜访时，接待他们的是蔡司数学部门负责人格拉策尔，他是全球光学届的翘楚，为哈苏相机设计过广角镜头，为此还赢得了NASA颁发的阿波罗成就奖。
在等级森严的蔡司，最重要的部门是数学部门，数学家属于最高阶层，他们的工作是进行透镜相关的计算。他们有自己宽敞的办公室，就连午餐时间都比其他人要长。
ASML与蔡司的合作很不顺利，很长时间里，两家都在扯皮和掐架。
在半导体领域，蔡司自1968年便开始为电路板曝光设备提供镜头。不过，这块儿一直属于边缘业务，蔡司并不重视，对ASML这家成立没几年的小公司，当然更不上心。
当时，ASML雄心勃勃，推出了具有革命性意义的PAS 5500光刻机，可以成像0.5～0.6微米的细节，获得了市场认可，ASML计划批量生产。
但这一机型需要的光学镜头不仅要求极高，数量也多，而蔡司蜗牛一般的速度，根本无法满足要求。
ASML也想过找替代供应商，但都以失败而告终。没办法，光刻机所需要的光学镜头变得越来越精密，越来越复杂，看遍全世界，只有蔡司一家能做到。
ASML的命运，就掌握在蔡司手里。
蔡司的作风古板而传统，当时还在用传统的工匠打磨方式生产镜头：手动抛光，肉眼分辨瑕疵，反复修正，这需要有多年工作经验的技工才能做到。在蔡司，这种技工被称为“金手指”，每名技工的平均培养时间是6~10年。
1990年，蔡司有6名这样的“金手指”，PAS 5500光刻机需要的i线镜头，他们就算拼命苦干，每年也只能交付10个。
这时候，蔡司终于开始意识到，公司传统的手工生产，是时候退出历史舞台了。
蔡司的光学实验室(O-Lab)开始研发下一代镜头生产技术，主要目标便是实现精度更高、速度更快的自动化生产。
他们自己设计开发各种关键技术：激光干涉测量、自动抛光、自动控制，将蔡司的镜头带向了下一代，也让ASML一步步走上光刻机霸主之位。
04
在讲述ASML历史的《光刻巨人》这本书中，蔡司的身影伴随始终。凭借其先进的工艺技术，半个世纪以来，蔡司推动芯片制程缩小了三个量级。
如今，蔡司的四大事业群中，半导体制造已被排到第一位，全球80%的半导体芯片，需要使用蔡司制造的镜头，才能制造出比头发丝还要细数千倍的半导体结构。
可以说，这家低调的德国公司，是半导体领域的幕后之王。
光刻机内部的光路系统完全可以说，光刻机是西方现代工业体系的集大成，是人类工业革命以来制造业的皇冠。
中国要突破这条产业链的所有环节，靠山寨和逆向工程显然不可能，必须沉下心来，在基础研究领域有所作为。
正如任正非曾感慨：我们国家修桥、修路、修房子，已经习惯了只要砸钱就行，但芯片只砸钱不行，还要砸数学家、物理学家、化学家……
回顾历史，光是蔡司一家，背后就是长达170多年的技术积淀，无数科学家和工程师在反反复复的试验与探索中，才将光学技术推进到了今天登峰造极的地步。
而ASML这家相对年轻的公司，除了技术上攻坚克难，更重要的，恐怕还包括市场运作和供应链整合。这种继承全球资源为我所用的模式，对ASML的成功起到了关键作用。
比如，在EUV研发后期，ASML引入了大客户投资，英特尔、台积电和三星共同出资数十亿欧元，参与EUV光刻机的研发。
这不仅减轻了ASML自身的资金压力，还提前搞定了主要客户，逼迫竞争对手不得不放弃研发同类产品。
卡着光刻机脖子的，既有蔡司这样技术雄厚的百年老店，也有ASML对整个产业链的整合能力。所谓卡脖子，表面看卡的是某几项技术，实际上背后是整个体系的较量。
那么与此相对应，我们需要的，既有对基础科学的持续深耕，也有开放的心态，以及培育顶级创新公司的土壤。
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