EUV芯片製造：美國如何失去了對尖端半導體技術的控制權 - 彭博社

一台ASML高NA極紫外系統

攝影師：Michel de Heer/ASML

這是一個戰略性錯誤的重大失誤。美國在開發支撐當今人工智能革命的半導體技術方面起到了至關重要的早期作用。然而，現在卻是一家荷蘭公司壟斷了這一過程，而亞洲製造商主導了生產。

極紫外光刻機可以説是當今世界上最重要的電子設備。它們的出現使得能夠組裝出處理能力有了質的飛躍的芯片，為新一代人工智能工具鋪平了道路。像OpenAI的ChatGPT和谷歌的Gemini這樣的人工智能平台進行的廣泛和多層次計算加速了許多通常由人類執行的任務。這使得美國和中國獲得EUV技術成為了國家經濟安全的問題。

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對於華盛頓和北京來説，問題在於EUV機器只有一家公司生產：ASML Holding NV。每台設備的尺寸相當於一輛公交車，成本超過2億美元。到目前為止已經發貨200多台，使ASML成為歐洲市值最高的科技股，市值超過3500億美元。

美國是如何放棄對這一關鍵技術的控制的？部分原因是相對較少的行業高管曾認為EUV可能行不通。另一個原因是長期以來世界上最大的芯片製造商英特爾公司的錯誤判斷。

近原子尺度

硅片由晶體管組成 - 本質上是現代計算中的零和一的一系列門和開關的物理表現。為了使計算機更加強大，半導體工程師不斷努力使晶體管變得更小。上個世紀中葉發明的第一批晶體管大約有一釐米長。現在，它們只有幾納米寬，或者説是幾十億分之一米。

在芯片製造的最初幾十年裏，使用可見光將圖案燒入硅中以創建晶體管 - 這個過程被稱為光刻 - 然後行業轉向紫外光。在20世紀80年代，科學家開始思考如何將芯片製造推向接近原子尺度，以維持創新的步伐。新澤西州貝爾實驗室的研究人員開始研究極紫外技術，接着是三個能源部國家實驗室： 勞倫斯利物浦、勞倫斯伯克利和桑迪亞。美國能源部最終投入了數千萬美元用於研究。

芯片製造的賭注

自英特爾投資ASML以來的12年裏，競爭對手已經超越了它

來源：彭博社

隨着這些機構在一些技術要素上取得進展，他們意識到產業支持對將其推向市場至關重要。1997年成立了一個名為EUV LLC的公私合作伙伴關係，美國公司英特爾、先進微設備公司和摩托羅拉公司加入其中。最終，該合作伙伴關係擴大到包括光刻公司硅谷集團公司。以及ASML，後者也參與了歐洲類似的EUV研究聯盟。

當時，日本的尼康公司和佳能公司是光刻領域的主要參與者，日本似乎是美國在芯片製造領域的最大威脅。因此，華盛頓不願讓亞洲國家在追趕下一代技術的競賽中佔據優勢，而是支持硅谷集團和ASML的努力。這家荷蘭公司全力投入EUV，並在接下來的幾年裏努力發揮其潛力。2001年，ASML支付了110億美元收購了硅谷集團，使競賽中只剩下一匹馬。當時，預計EUV將在2006年商業化。

技術挑戰

這被證明是過於樂觀的。這項技術異常複雜。它涉及使用高功率激光每秒50,000次轟擊錫液滴，產生髮射EUV光的等離子體。由於這種光在地球上並不自然產生 - 實際上，它被空氣吸收 - 這個過程必須在真空中進行。然後，光被一系列鏡子聚焦，反射到一個遮光板上。這是玻璃或鏡子上的圖案，可以阻擋並吸收一些光（名稱來源於槍瞄準鏡上的十字線），從而創建要刻入芯片的電路圖案。

由於這些設備的運作規模，德國蔡司公司製造的鏡子必須幾乎完美無瑕：最大的瑕疵只有一個原子高。ASML表示，如果將鏡子按照國家的尺寸進行縮放，最高的凸起只有1毫米高。用激光轟擊熔化的錫是一件混亂的事情。這需要定期清理，這意味着有很多停機時間。這使得很難看到這些機器如何能夠經濟實惠：半導體制造設施需要幾乎每天24小時、每週7天運行，以證明花費數十億美元建造它們的價值。

直到2012年，該行業才開始認為這項技術確實是可行的。而且仍然需要大量資金。因此，ASML轉向了其最大的客户：台積電投資了14億美元，三星電子投入了9.74億美元，英特爾承諾投入高達41億美元。這三家芯片製造商隨後擁有ASML約四分之一的股份。

這一策略奏效了，到2018年，ASML開始大量出貨EUV機器。儘管早期的很多工作是在美國完成的，而英特爾是ASML最大的工業支持者，但第一代機器都沒有交給英特爾。

CPU處理技術

納米尺寸

來源：伯恩斯坦

這不是ASML的選擇。這是英特爾的選擇。當時的CEO布萊恩·克賽尼奇並不確信這項技術能夠以經濟的規模運作。他賭注在能夠讓現有技術運行，直到他認為EUV存在的問題得到解決。他有充分的理由相信：英特爾一直以領先同行的尖端芯片製造工藝而聞名。

這被證明是一個錯誤。使用EUV工藝的台積電在2018年左右首次在技術上超越了英特爾。這家台灣公司經營着所謂的晶圓代工業務，客户包括蘋果、英偉達和AMD等公司設計自己的芯片，然後與台積電簽約生產。

與此同時，英特爾努力使其替代的“多重圖案”芯片光刻方法能夠可靠運行。當該公司將該過程調整到足以在大規模上可行的程度時，台積電和三星已經在生產更先進的半導體。

中國挑戰

對美國有更深層次的影響，因為台積電還向華為等中國公司提供芯片，而唐納德·特朗普和喬·拜登政府都對這家公司持懷疑態度。使用EUV技術製造的芯片從2019年開始被運送到華為智能手機中。因此，一項部分由美國資本資助的技術，以及部分基礎研究是在美國實驗室進行的，似乎有可能使其主要的地緣政治對手受益。

如果中國能夠製造或購買到最先進的芯片，這將有助於其在工業中部署人工智能，也有可能在軍事應用中使用。儘管中國擁有可觀的技術能力，但仍需進口大部分所需的半導體。確保擁有自己的EUV產能成為一個優先事項。

自十年前左右以來，美國一直在向荷蘭政府施壓，阻止ASML向中國出售任何設備。到目前為止，這些努力已經取得了成功：中國仍然沒有EUV機器。

英特爾的下一步

與此同時，英特爾仍然受到其錯誤估計的影響。

“我們採取了很多措施來避免使用EUV的需求，正如你所看到的，這導致了功耗、性能、面積和成本方面的缺陷，”2021年接任英特爾CEO的帕特·蓋爾辛格在四月份表示。

股市反映了這個錯誤的規模。2012年投資ASML時，英特爾的市值比Nvidia大15倍，幾乎是TSMC的兩倍。現在它的規模只是它們的一小部分：英特爾市值為1640億美元，TSMC為6500億美元，Nvidia為2.2萬億美元。其中很大一部分是由於英特爾無法獲得EUV技術。

蓋爾辛格渴望確保自己不重複前任的錯誤。英特爾正在全力支持下一代EUV：高數值孔徑。該方法使用新的光學系統將光聚焦到一個更小的點，公司已經在俄勒岡州的一個地點安裝了第一台預生產模型。

英特爾在俄勒岡州希爾斯伯勒的D1X開發工廠。攝影師：英特爾公司 閲讀更多： ASML，歐洲最有價值的科技公司，處於美中芯片戰爭的核心