下一代1.5亿美元的巨兽

ASML的下一代极紫外光光刻机达到了以前无法达到的精度水平，这意味着芯片在未来几年还会继续缩小。

在康涅狄格州乡村的一间大型洁净室里，工程师们已经开始为一台机器制造关键部件，这台机器有望使我们所知的科技产业至少在未来十年保持在正轨上。

这台机器是由荷兰公司ASML制造的，该公司已经垄断了用光将最微小的纳米级特征蚀刻到微芯片上的市场。

2017年，ASML推出了第一台用于大规模生产的极紫外（EUV）光刻机，在此之前，ASML花了几十年时间掌握了这项技术。这些机器在芯片制造生态系统中扮演着至关重要的角色，它们被用于制造最新、最先进的芯片，包括新iPhone中的芯片以及用于人工智能的计算机。该公司的下一个EUV系统（其中一部分正在康涅狄格州威尔顿市建造）将使用一种新的技巧来最小化其使用的光波长，从而缩小芯片上的特征尺寸，并比以往任何时候都更有效地提高其性能。

坦率地说，当前一代的EUV机器已经有点疯狂了。每台设备大约有一辆公共汽车那么大，耗资1.5亿美元。它包含100000个部件和2公里的布线。运输这些部件需要40个货运集装箱、3架货运飞机和20辆卡车。只有少数几家公司能买得起这些机器，其中大部分都流向了世界三大尖端芯片制造商：世界领先的代工企业、台湾的台积电(TSMC)，以及韩国的三星(Samsung)和英特尔(Intel)。

“这真是一台不可思议的机器，”麻省理工学院研究新型晶体管结构的教授Jesús del Alamo说。“这是一款绝对革命性的产品，是一项突破，将为该行业带来新的生机。”

在康涅狄格州，一块巨大的铝块被雕刻成一个框架，这个框架最终将容纳一个光罩或掩模（reticle/mask），在反射一束极端紫外线的同时以纳米精度移动。光弹珠从几面镜子上射出，以惊人的精度成形和抛光，将只有几十个原子大小的特征蚀刻到未来的计算机芯片上。

成品部件将在2021年底前运至荷兰的Veldhoven，然后在2022年初前添加到第一台下一代EUV样机中。使用新系统制造的第一批芯片可能由英特尔公司制造，该公司表示将在2023年首先获得它们。由于每个芯片都有数百亿个部件，而特征比以往任何时候都小，这台机器在未来几年生产的芯片应该是历史上速度最快、效率最高的。

ASML最新的EUV机器承诺延续进步的理念，这一理念已成为象征——不仅在芯片制造领域，而且在科技行业和整个经济领域。

1965年，电子工程师、英特尔创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）为行业杂志《电子》（electronics）35周年纪念版撰写了一篇文章，其中包括一篇自那时起就独树一帜的评论。摩尔在文章中指出，硅芯片上的元件数量每年大约翻了一番，他预测这一趋势将继续下去。

十年后，摩尔将他的预计从一年改为两年。近年来，摩尔定律的发展受到了质疑，尽管新的制造业突破和芯片设计创新基本上让它保持了正确。

EUV使用了一些非凡的工程技术来缩小用于制造芯片的光的波长，这应该有助于延续这一趋势。这项技术对于制造更先进的智能手机和云计算机，以及人工智能、生物技术和机器人等新兴技术的关键领域都至关重要。德尔阿拉莫斯说：“摩尔定律的消亡被大大夸大了。”，“我认为这将持续相当长一段时间。”

在最近由疫情引发的经济冲击波引发芯片短缺之际，ASML的产品已成为美中地缘政治斗争的核心，华盛顿方面将阻止中国获得芯片列为优先事项。美国政府已成功向荷兰施压，要求其不要发放向中国出口机器所需的出口许可证，而ASML表示，它没有向中国出口任何机器。

乔治城大学(Georgetown University)研究芯片制造地缘政治的研究分析师威尔•亨特(Will Hunt)表示:“没有ASML的机器，就不可能制造出领先的芯片。”“很多东西都要经过年复一年的修修补补和试验，而要获得这些东西是非常困难的。”

他说，EUV机器的每个部件都“极其复杂，令人吃惊”

制造微芯片已经需要一些世界上最先进的工程技术。芯片最初是一个圆柱形的晶体硅块（crystalline silicon），被切成薄片(即晶片，wafers)，然后在薄片上涂上一层光敏材料，反复暴露在有图案的光下。没有被光接触的硅部分被化学蚀刻掉，以暴露芯片的复杂图案。然后每块晶片(wafers)被切成许多单独的芯片(chips)

从一块硅中挤出更多计算能力的最可靠的方法仍是缩小芯片上的元件，因为电子通过更小的电子元件的效率更高，而将更多元件封装到芯片中可以提高其计算能力。

许多创新使摩尔定律得以延续，包括新颖的芯片和组件设计。例如，今年5月，IBM展示了一种新型晶体管，它像缎带一样夹在硅内部，可以在不降低光刻分辨率的情况下将更多的元件封装到芯片中。

从20世纪60年代起，降低芯片制造中使用的光的波长有助于推动小型化和进步，这对下一步的发展至关重要。使用可见光的机器被使用近紫外线（near-ultraviolet）的机器所取代，而近紫外线又让位于使用深紫外线（deep-ultraviolet）的系统，以便将更小的特征蚀刻到芯片上。

20世纪90年代，包括英特尔、摩托罗拉和AMD在内的一个公司联盟开始研究EUV（Extreme ultraviolet lithography），作为光刻技术的下一步。ASML于1999年加入，作为光刻技术的领先制造商，寻求开发第一台EUV机器。与以前的光刻方法（193纳米）相比，极紫外光刻（简称EUV）允许使用更短的光波长（13.5纳米）。

但它花了几十年时间来解决工程上的挑战。产生EUV光本身就是一个大问题。ASML的方法包括将高功率激光以每秒50,000次的速度对准锡滴，以产生高强度的光。系统使用涂有特殊材料的极其精确的镜子吸收极紫外光频率。在ASML的机器内部，EUV光在穿过光罩之前会经过几面镜子反射，光罩以纳米级的精度移动，以对齐硅层。

“说实话，没有人真的想用极紫外，”Real World Technologies的芯片分析师大卫·坎特(David Kanter)说。“它晚了20年，超出预算10倍。但如果你想建造非常密集的结构，它是你唯一的工具。”

ASML的新机器引入了一个额外的技巧来在芯片上产生更小的特征（features）:更大的数值孔径，通过允许光线以不同的角度通过光学元件来增加成像的分辨率。这就需要更大的镜子和新的软件和硬件来精确地控制组件。ASML的这一代EUV机器可以制造出分辨率为13纳米的芯片。而下一代又使用了High-NA(高数值孔径)透镜来制作8纳米大小的特征。

目前使用EUV技术最著名的公司是台积电(TSMC)，其客户包括苹果(Apple)、英伟达(Nvidia)和英特尔(Intel)。英特尔在采用EUV技术方面进展缓慢，结果落后于竞争对手，因此决定将部分生产外包给台积电。

ASML似乎并不认为建立在其机器之上的进展会放缓。ASML首席技术官布林克（Martin van den Brink）曾表示：“我不喜欢谈论摩尔定律的终结，我喜欢谈论摩尔定律的幻觉。”。

布林克指出，摩尔1965年的那篇文章实际上更关注的是创新的进程，而不仅仅是变小。尽管他预计至少在未来10年里，High-NA的EUV将继续推动芯片行业的进步，但他认为使用光刻技术的芯片特征将变得不那么重要。

他说，ASML已经研究了EUV的后继技术，包括电子束和纳米压印光刻，但没有发现任何一种技术足够可靠，值得投入大量资金。他预测，在考虑热稳定性和物理干扰的同时，加快光刻机产量的新方法将有助于提高产量。即使芯片没有变得更快，这也会导致最先进的芯片变得更便宜和更广泛地使用。

布林克补充说，其他的制造技巧，包括在芯片上垂直制造组件的努力——英特尔和其他公司已经开始这样做了——应该会继续提高性能。他指出，台积电执行董事长刘志军(Mark Liu)曾表示，他预计未来20年，台积电的综合性能和效率每年将提高三倍。

对更快芯片的需求几乎不可能下降。20世纪70年代开始从事芯片行业的普渡大学教授马克·伦德斯特伦（Mark Lundstrom）在2003年为《科学》杂志撰写了一篇文章，预测摩尔定律将在十年内达到物理极限。“在我的职业生涯中，我们多次认为‘好吧，这就是终点’，”他说。“但是，10年后事情会放缓，这一点都不危险。我们只需要采取不同的做法。”

伦斯特罗姆记得1975年参观了他的第一次微芯片会议。“有一个叫戈登·摩尔的家伙在演讲，”他回忆道。“他在技术界很有名，但没有其他人认识他。”

“我还记得他的演讲，”伦德斯特伦补充道。“他说，‘我们很快就能在一块芯片上安装1万个晶体管。他还说，一个芯片上有1万个晶体管，人们能做什么呢?’”