半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，誰(shuí)卡著光刻機(jī)的脖子？

01

1945年，二戰(zhàn)接近尾聲時(shí)，巴頓將軍率領(lǐng)第三集團(tuán)軍，不顧破壞《雅爾塔協(xié)定》的風(fēng)險(xiǎn)，闖入劃給蘇聯(lián)的東德占領(lǐng)區(qū)。他們的目標(biāo)不是軍事重鎮(zhèn)，而是一家叫蔡司的公司。

這家公司是光學(xué)領(lǐng)域的佼佼者，戰(zhàn)爭(zhēng)期間為德軍生產(chǎn)望遠(yuǎn)鏡、測(cè)距儀、航空攝像機(jī)等，是德軍武器裝備的重要供應(yīng)商。

當(dāng)時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)尚未結(jié)束，但美蘇兩國(guó)已盯上了德國(guó)的科技資源，美國(guó)策劃的“回形針行動(dòng)”，向歐洲派遣了一支由3000名科學(xué)家和專(zhuān)家組成的的技術(shù)部隊(duì)，評(píng)估篩選德國(guó)的科技資源。順便說(shuō)一句，錢(qián)學(xué)森當(dāng)時(shí)也在這支特殊的隊(duì)中。

蔡司公司，當(dāng)時(shí)被美軍列為首要目標(biāo)之一。

美國(guó)人原本打算用600多輛卡車(chē)將整個(gè)蔡司搬到西德去，不料，由于蘇軍推進(jìn)太過(guò)迅速，措手不及之下，美國(guó)人決定“拿走公司的大腦”，將蔡司最核心的100多名員工轉(zhuǎn)移到西德，在那里建了個(gè)新蔡司。

當(dāng)時(shí)美軍的行動(dòng)主要基于軍工潛力方面的考慮，但恐怕誰(shuí)也不會(huì)想到，這家靠生產(chǎn)光學(xué)鏡頭起家的家族企業(yè)，在大半個(gè)世紀(jì)后，仍能影響整個(gè)世界高科技產(chǎn)業(yè)鏈的格局。

今天，當(dāng)我們討論芯片面臨的卡脖子困境時(shí)，談?wù)撟疃嗟?，?a class="article-link" target="_blank" href="/e/1601076.html">光刻機(jī)，是阿斯麥(ASML)。但其實(shí)，光刻機(jī)背后，是一大批歐美的先進(jìn)技術(shù)在支撐，而蔡司是其中最關(guān)鍵的一環(huán)。

目前最先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)(EUV)，需要極其精密的光學(xué)鏡頭，目前全世界只有蔡司一家能夠做到，別無(wú)二家。

可以說(shuō)，沒(méi)有蔡司，就不會(huì)有EUV光刻機(jī)，也就不會(huì)有7nm以下芯片，也就不會(huì)有iPhone14這樣強(qiáng)大的智能手機(jī)。

在油管上看到過(guò)一期關(guān)于蔡司與半導(dǎo)體工業(yè)的視頻，標(biāo)題就是“沒(méi)有這家德國(guó)公司，整個(gè)現(xiàn)代文明都將崩塌”。這句話有些夸張，但很大程度上也確實(shí)反映了蔡司的重要性。

02

1846年，中國(guó)還是大清朝道光年間，一個(gè)叫卡爾·蔡司的德國(guó)工匠創(chuàng)建了一個(gè)小作坊，生產(chǎn)顯微鏡和其他測(cè)量?jī)x器，就是今天蔡司的前身。

170多年來(lái)，蔡司鏡頭憑借完美的設(shè)計(jì)和高超的工藝技術(shù)，在光學(xué)領(lǐng)域始終走在世界最前列。

蔡司成立不久后，便與附近的耶拿大學(xué)建立了合作關(guān)系。1863年，耶拿大學(xué)一個(gè)叫恩斯特·阿貝的物理學(xué)家來(lái)到蔡司的車(chē)間，讓蔡司給他制造幾臺(tái)做物理實(shí)驗(yàn)需要用到儀器。

這位物理學(xué)家后來(lái)成為蔡司的研究總監(jiān)和股東，對(duì)蔡司產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

阿貝將最前沿的光學(xué)理論引入到產(chǎn)品生產(chǎn)中。尤其是他1872 年提出的顯微成像波動(dòng)理論，基于數(shù)學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)鏡頭，取代了過(guò)去低效的試錯(cuò)法，使蔡司成為光學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)先者。

1888年12月，公司創(chuàng)始人去世，阿貝做了個(gè)重要決定：把他所有的股份都放在一個(gè)名叫卡爾·蔡司的基金會(huì)里，他還拉來(lái)另外兩家公司也加入基金會(huì)，并為基金會(huì)制定了章程。

按照章程，蔡司公司的利潤(rùn)為除了用于公司發(fā)展，剩余的利潤(rùn)通過(guò)基金會(huì)來(lái)資助科學(xué)研究、文化活動(dòng)和員工福利計(jì)劃。

阿貝還率先引入8小時(shí)工作制，提供帶薪休假等福利，而當(dāng)時(shí)德國(guó)的其他工廠，工人每天平均工作10小時(shí)。

那時(shí)候，是1900年。德國(guó)首任總統(tǒng)西奧多·豪伊斯稱阿貝為“理性主義圣人”。

卡爾·蔡司與恩斯特·阿貝

到1914年，第一次世界大戰(zhàn)前夕，蔡司已經(jīng)發(fā)展成為世界最大的相機(jī)生產(chǎn)公司，他們生產(chǎn)的雙筒望遠(yuǎn)鏡也大受軍方歡迎，為公司帶來(lái)了滾滾訂單。

盡管20世紀(jì)上半葉戰(zhàn)亂不斷，德國(guó)又先后經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，但蔡司的業(yè)務(wù)還是飛速擴(kuò)張，從最開(kāi)始的顯微鏡到相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡，再到后來(lái)的攝像機(jī)、天文望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)年的小作坊，逐漸成為光學(xué)領(lǐng)域的無(wú)冕之王。

二戰(zhàn)期間，蔡司生產(chǎn)的光學(xué)元件在德軍武器裝備中起到了重大作用。當(dāng)然，戰(zhàn)爭(zhēng)后期當(dāng)盟軍對(duì)德國(guó)進(jìn)行轟炸破壞時(shí)，蔡司也成為重要目標(biāo)。

再接著，便是本文開(kāi)頭提到的“回形針行動(dòng)”。

美國(guó)戰(zhàn)略情報(bào)局先后將1600多名德國(guó)科學(xué)家和工程師轉(zhuǎn)移，很多后來(lái)去了美國(guó)，其中最著名的是研發(fā)德國(guó)V-2火箭的馮·布勞恩。這些科學(xué)家為后來(lái)美國(guó)贏得太空競(jìng)賽打下了根基。

在這場(chǎng)行動(dòng)中，蔡司的核心人才也被美軍搶走，而遲了一步的蘇聯(lián)，只好把剩下的機(jī)器設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)搬到蘇聯(lián)，蔡司也自此一分為二，在兩種完全不同的體制下繼續(xù)存活。

蔡司是一家在大眾層面相對(duì)低調(diào)的公司，但在人類(lèi)歷史上很多重大歷史時(shí)刻，都能看到它的身影。

1969年，阿波羅11號(hào)登陸月球，當(dāng)時(shí)宇航員攜帶了兩臺(tái)哈蘇相機(jī)，搭載的就是蔡司生產(chǎn)的鏡頭，在月球上拍下了眾多意義非凡的照片。

這兩臺(tái)相機(jī)，至今仍留在月球上。

這張著名的照片便是來(lái)自蔡司鏡頭

1989年，柏林墻倒塌，東西德已分開(kāi)數(shù)十年的兩家蔡司試圖合并。

當(dāng)時(shí)東德蔡司人員臃腫，有多達(dá)5萬(wàn)名員工，但其中許多人是只掛名不工作。對(duì)這個(gè)混得實(shí)在不怎么樣的東德“表兄”，西德蔡司實(shí)在沒(méi)啥興趣，不過(guò)最后還是迫于政治壓力勉強(qiáng)接受了合并。

其實(shí)，西德蔡司當(dāng)時(shí)也有著自己的煩惱。

80年代，隨著日本佳能、尼康的崛起，蔡司的鏡頭在相機(jī)領(lǐng)域開(kāi)始失去競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)不斷被蠶食，就連以前的老客戶哈蘇相機(jī)，也開(kāi)始轉(zhuǎn)向日本公司生產(chǎn)的鏡頭。

不過(guò)，就在這時(shí)候，一家成立不久的荷蘭小公司找上門(mén)來(lái)，開(kāi)始了與蔡司相愛(ài)相殺至今的傳奇經(jīng)歷。

這家當(dāng)時(shí)名不見(jiàn)經(jīng)傳的小公司，就是如今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠、光刻機(jī)領(lǐng)域的王者，阿斯麥(ASML)。

03

ASML對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)有多重要？用ASML總裁彼得·溫寧克在2017年接受專(zhuān)訪時(shí)說(shuō)的一句話就是：

“如果我們交不出EUV光刻機(jī)，摩爾定律就會(huì)從此停止?！?/p>

目前，摩爾定律的極限已實(shí)現(xiàn)5nm制程，接近3nm、2nm，想要實(shí)現(xiàn)這一制程節(jié)點(diǎn)，就一定要用到荷蘭ASML的EUV光刻機(jī)。

一臺(tái)EUV售價(jià)高達(dá)1億歐元，堪稱印鈔機(jī)，而且排隊(duì)搶著買(mǎi)還不一定能買(mǎi)到。

不過(guò)回到上世紀(jì)80年代，ASML剛成立時(shí)，境況只能用慘淡來(lái)形容。

ASML脫胎于大名鼎鼎的飛利浦，前期主要的技術(shù)來(lái)源也是飛利浦的NatLab實(shí)驗(yàn)室。不過(guò)，1984年從飛利浦獨(dú)立出來(lái)時(shí)，ASML可以說(shuō)是一窮二白，連辦公場(chǎng)所都是在飛利浦旁邊臨時(shí)搭的“窩棚”。

好在當(dāng)時(shí)公司有個(gè)比較能“畫(huà)餅”的CEO，硬拉著一幫員工鼓舞士氣，一步步搞出了被市場(chǎng)接受的光刻機(jī)。

不過(guò)，在摩爾定律推動(dòng)下，隨著集成電路的飛速發(fā)展，對(duì)光刻機(jī)的要求也越來(lái)越高，而對(duì)光刻機(jī)性能影響最關(guān)鍵的，是其中的光學(xué)元件。

ASML的工程師發(fā)現(xiàn)，他們之前的光學(xué)鏡頭供應(yīng)商開(kāi)始無(wú)法滿足需要。找來(lái)找去，蔡司進(jìn)入了荷蘭人的視野。

當(dāng)他們前往蔡司拜訪時(shí)，接待他們的是蔡司數(shù)學(xué)部門(mén)負(fù)責(zé)人格拉策爾，他是全球光學(xué)屆的翹楚，為哈蘇相機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)廣角鏡頭，為此還贏得了NASA頒發(fā)的阿波羅成就獎(jiǎng)。

在等級(jí)森嚴(yán)的蔡司，最重要的部門(mén)是數(shù)學(xué)部門(mén)，數(shù)學(xué)家屬于最高階層，他們的工作是進(jìn)行透鏡相關(guān)的計(jì)算。他們有自己寬敞的辦公室，就連午餐時(shí)間都比其他人要長(zhǎng)。

ASML與蔡司的合作很不順利，很長(zhǎng)時(shí)間里，兩家都在扯皮和掐架。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，蔡司自1968年便開(kāi)始為電路板曝光設(shè)備提供鏡頭。不過(guò)，這塊兒一直屬于邊緣業(yè)務(wù)，蔡司并不重視，對(duì)ASML這家成立沒(méi)幾年的小公司，當(dāng)然更不上心。

當(dāng)時(shí)，ASML雄心勃勃，推出了具有革命性意義的PAS 5500光刻機(jī)，可以成像0.5～0.6微米的細(xì)節(jié)，獲得了市場(chǎng)認(rèn)可，ASML計(jì)劃批量生產(chǎn)。

但這一機(jī)型需要的光學(xué)鏡頭不僅要求極高，數(shù)量也多，而蔡司蝸牛一般的速度，根本無(wú)法滿足要求。

ASML也想過(guò)找替代供應(yīng)商，但都以失敗而告終。沒(méi)辦法，光刻機(jī)所需要的光學(xué)鏡頭變得越來(lái)越精密，越來(lái)越復(fù)雜，看遍全世界，只有蔡司一家能做到。

ASML的命運(yùn)，就掌握在蔡司手里。

蔡司的作風(fēng)古板而傳統(tǒng)，當(dāng)時(shí)還在用傳統(tǒng)的工匠打磨方式生產(chǎn)鏡頭：手動(dòng)拋光，肉眼分辨瑕疵，反復(fù)修正，這需要有多年工作經(jīng)驗(yàn)的技工才能做到。在蔡司，這種技工被稱為“金手指”，每名技工的平均培養(yǎng)時(shí)間是6~10年。

1990年，蔡司有6名這樣的“金手指”，PAS 5500光刻機(jī)需要的i線鏡頭，他們就算拼命苦干，每年也只能交付10個(gè)。

這時(shí)候，蔡司終于開(kāi)始意識(shí)到，公司傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)，是時(shí)候退出歷史舞臺(tái)了。

蔡司的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室(O-Lab)開(kāi)始研發(fā)下一代鏡頭生產(chǎn)技術(shù)，主要目標(biāo)便是實(shí)現(xiàn)精度更高、速度更快的自動(dòng)化生產(chǎn)。

他們自己設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)各種關(guān)鍵技術(shù)：激光干涉測(cè)量、自動(dòng)拋光、自動(dòng)控制，將蔡司的鏡頭帶向了下一代，也讓ASML一步步走上光刻機(jī)霸主之位。

04

在講述ASML歷史的《光刻巨人》這本書(shū)中，蔡司的身影伴隨始終。憑借其先進(jìn)的工藝技術(shù)，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，蔡司推動(dòng)芯片制程縮小了三個(gè)量級(jí)。

如今，蔡司的四大事業(yè)群中，半導(dǎo)體制造已被排到第一位，全球80%的半導(dǎo)體芯片，需要使用蔡司制造的鏡頭，才能制造出比頭發(fā)絲還要細(xì)數(shù)千倍的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

可以說(shuō)，這家低調(diào)的德國(guó)公司，是半導(dǎo)體領(lǐng)域的幕后之王。

一臺(tái)EUV光刻機(jī)，由超過(guò)10萬(wàn)個(gè)零件組成，涉及5000多家供應(yīng)商。幾個(gè)核心部分，除了蔡司的鏡頭，它還需要美國(guó)Cymer公司的的光源系統(tǒng)，德國(guó)的精密儀器等等。

完全可以說(shuō)，光刻機(jī)是西方現(xiàn)代工業(yè)體系的集大成，是人類(lèi)工業(yè)革命以來(lái)制造業(yè)的皇冠。

中國(guó)要突破這條產(chǎn)業(yè)鏈的所有環(huán)節(jié)，靠山寨和逆向工程顯然不可能，必須沉下心來(lái)，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有所作為。

正如任正非曾感慨：我們國(guó)家修橋、修路、修房子，已經(jīng)習(xí)慣了只要砸錢(qián)就行，但芯片只砸錢(qián)不行，還要砸數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家……

回顧歷史，光是蔡司一家，背后就是長(zhǎng)達(dá)170多年的技術(shù)積淀，無(wú)數(shù)科學(xué)家和工程師在反反復(fù)復(fù)的試驗(yàn)與探索中，才將光學(xué)技術(shù)推進(jìn)到了今天登峰造極的地步。

蔡司在超凈室裝配光刻機(jī)的光學(xué)模塊

而ASML這家相對(duì)年輕的公司，除了技術(shù)上攻堅(jiān)克難，更重要的，恐怕還包括市場(chǎng)運(yùn)作和供應(yīng)鏈整合。這種繼承全球資源為我所用的模式，對(duì)ASML的成功起到了關(guān)鍵作用。

比如，在EUV研發(fā)后期，ASML引入了大客戶投資，英特爾、臺(tái)積電和三星共同出資數(shù)十億歐元，參與EUV光刻機(jī)的研發(fā)。

這不僅減輕了ASML自身的資金壓力，還提前搞定了主要客戶，逼迫競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不得不放棄研發(fā)同類(lèi)產(chǎn)品。

卡著光刻機(jī)脖子的，既有蔡司這樣技術(shù)雄厚的百年老店，也有ASML對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的整合能力。所謂卡脖子，表面看卡的是某幾項(xiàng)技術(shù)，實(shí)際上背后是整個(gè)體系的較量。

那么與此相對(duì)應(yīng)，我們需要的，既有對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的持續(xù)深耕，也有開(kāi)放的心態(tài)，以及培育頂級(jí)創(chuàng)新公司的土壤。