光刻机市场风云再起时,回溯其烽火岁月

华为的芯片之困和中美之间的半导体“暗战”现在几乎是全世界最热门的话题,各个产业链及身在其中的企业都受到了极大影响。

拿AI的天然落地场安防行业来说,摄像机涨价、芯片供应紧张、贸易商炒作、拿不到货、已接订单无法完成、替代方案、更改设计等等,使得行业正在经历近10年来前所未有的大变局,相关企业正处于水深火热之中,苦不堪言。

缺芯困境

自2016年开始,安防行业从“看得见”,“看得清”步入“看得懂”的智能化时代。人工智能赋能安防,各类基于人工智能技术的垂直应用不断涌现,视频监控系统前后端均实现智能化。前端智能化,后端云化,并逐渐演变为边缘节点、边缘域、云中心三个层次,云边融合的产业生态圈成为安防系统正在发生的新趋势。

在前端,加入AI功能的IPC芯片成为了智能化的发展方向。目前已出现自带GPU/NPU/通用芯片等多种网络摄像机方案。根据智能化程度的不同,智能摄像机大体分为智能网络摄像机、结构化分析摄像机和深度学习摄像机。这些,均需要AI芯片方能实现。目前,无论是前端智能摄像机还是边缘计算产品,绝大部分均采用海思芯片来实现智能化,尤其在高端AI芯片方面,国内尚没有一家企业能够满足市场应用。

5月15日,美国商务部针对华为事件下发最新禁令,所有使用美国零部件、设备、技术的芯片厂商,无论占比多少,若向华为供货,将会受到美国的连带限制。

在禁令升级的情况下,华为海思芯片的制造商台积电将于9月14日后正式停止芯片供应。而此次缺货较为严重的主要是海思AI芯片,由于均采用12-28nm工艺制程。

在市场需求与芯片供应短缺的背景下,海思芯片断供的影响不断扩大,自7月份以来,各种涨价戏码不断上演,下游应用市场苦不堪言。

不过芯片的短缺对于安防行业的影响还是相对较小的,因为目前国内28纳米的芯片制造还是没问题,对于安防行业来说,暂且够用。

影响比较深远的,更多的是集成度更高的手机类芯片,尤其是对华为。

芯片的困境日益凸显,芯片被卡脖子连普通人基本全都知道了,这更加激起全民的拳拳爱国之心,一时间造“芯”热潮席卷而来。

但芯片这个事,操之过急也没用。并不是政府不重视,反而政府在这个领域的投资非常巨大,但因中国芯片研发的先天不足,以及国际社会的普遍封锁,让中国在这个高密集型的科技领域迟滞了两三代的代差。另外,芯片行业资金极度密集,生产线动辄数十亿上百亿美金。此外,人才也是这个行业的稀缺资源。一方面是技术又贵又难、人才难以培养,另一方面是行业的集中度很高,少数的几家大企业垄断了行业的尖端技术和市场,剩下的企业里人才的待遇也就很难赶上几家巨头了。

制约集成电路技术发展的有四大要素:功耗、工艺、成本和设计复杂度,其中光刻机就是一个重中之重,核心技术中的核心。一些装备由于其巨大的制造难度被冠以“工业皇冠上的明珠”的称号,最主流的说法是两大装备:航空发动机和光刻机,最先进的航空发动机目前的报价在千万美元量级,但是最先进的光刻机目前的报价已经过亿美金。

光刻机烽火过往

光刻机的原理其实像幻灯机一样简单,就是把光通过带电路图的掩膜投影到涂有光敏胶的晶圆上。因此,光刻那时并不是高科技,半导体公司通常自己设计工装和工具,比如英特尔开始是买16毫米摄像机镜头拆了用。

1947年,贝尔实验室发明第一只点接触晶体管。从此光刻技术开始了发展。

1959年,世界上第一架晶体管计算机诞生,提出光刻工艺,仙童半导体研制世界第一个适用单结构硅晶片。

1960年代,仙童提出CMOS IC制造工艺,第一台IC计算机IBM360,并且建立了世界上第一台2英寸集成电路生产线,美国GCA公司开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。

60年代末,日本的尼康和佳能开始进入这个领域,毕竟当时的光刻不比照相机复杂。

70年代初,光刻机技术更多集中在如何保证十个甚至更多个掩膜版精准地套刻在一起。Kasper仪器公司首先推出了接触式对齐机台并领先了几年,Cobilt公司做出了自动生产线,但接触式机台后来被接近式机台所淘汰,因为掩膜和光刻胶多次碰到一起太容易污染了。

1973年,拿到美国军方投资的Perkin Elmer公司推出了投影式光刻系统,搭配正性光刻胶非常好用而且良率颇高,因此迅速占领了市场。

1978年,GCA推出真正现代意义的自动化步进式光刻机(Stepper),分辨率比投影式高5倍达到1微米。由于刚开始Stepper生产效率相对不高,Perkin Elmer在后面很长一段时间仍处于主导地位。

80年代一开始,GCA的Stepper还稍微领先,但很快尼康发售了自己首台商用Stepper NSR-1010G,拥有更先进的光学系统极大提高了产能。两家一起挤压了其它厂商的份额,尤其是Perkin Elmer的投影式光刻。P&E的市场份额从80年超过3成快速跌到84年不到5%。80年代是日本半导体最风光的时候,本土几乎每家大公司大财阀都进入了半导体业。这给尼康和佳能双雄带来巨大的后盾,并开始反攻美国市场。

由于GCA的镜片组来自蔡司,不像尼康自己拥有镜头技术,合作的问题使得GCA产品更新方面一直落后了半拍。1982年,尼康在硅谷设立尼康精机,开始从GCA手里夺下一个接一个大客户:IBM、Intel、TI、AMD等。

到了1984年,尼康已经和GCA平起平坐,各享三成市占率。Ultratech占约一成,Eaton、P&E、佳能、日立等剩下几家每家都不到5%。

1984年4月1日ASML成立的时候,只有31名员工,在飞利浦大厦外面的木板简易房里工作。飞利浦在实验室里研发出stepper的原型,但是不够成熟。因为光刻市场太小,飞利浦也不能确认它是否有商业价值,去美国和P&E、GCA、Cobilt、IBM等谈了一圈没人愿意合作。ASM的老板听说了有这么回事,主动要求合作。但这家代理出身的公司只有半导体前后道的经验,对光刻其实不太懂,等于算半个天使投资加半个分销商。飞利浦犹豫了一年时间,最后勉强同意了设立50:50的合资公司。

ASML在头一年只卖出一台stepper,第二年卖出四台。第一代产品不够成熟,但是背靠飞利浦大树的各种资源和容忍让它生存了下来。

ASML在1985年和蔡司(Zeiss)合作改进光学系统,终于在1986年推出非常棒的第二代产品PAS-2500,并第一次卖到美国给当时的创业公司Cypress,今天的Nor Flash巨头。

1988年GCA资金严重匮乏被General Signal收购,又过了几年GCA找不到买主被关闭。General Signal旗下另外一家Ultratech最终被MBO,但是规模也不大了。1990年,P&E光刻部也支撑不下去被卖给SVG。1980年还占据大半壁江山的美国三雄,到80年代末地位完全被日本双雄取代。这时ASML还只有大约10%的市场占有率。

忽略掉美国被边缘化的SVG、Ultratech等公司,90年代一直到现在的格局,一直是ASML和尼康的竞争,佳能在旁边看热闹。

后来的日荷之争走向了不同的道路。在ASML推出浸入式193nm产品的前后脚,尼康也宣布自己的157nm产品以及EPL产品样机完成。然而,浸入式属于小改进大效果,产品成熟度非常高,所以几乎没有人去订尼康的新品。尼康被迫随后也宣布去做浸入式光刻机,但由于时间的迟滞,导致尼康的光刻机竞争力下降,还手之力不足。

在光学光刻技术努力突破分辨率“极限”的同时,NGL正在研究,包括极紫外线光刻技术、电子束光刻技术、X射线光刻技术、纳米压印技术等。与此同时,荷兰光刻机巨头阿斯麦ASML,占据了63%的市场份额,产品集中在中高端的极紫外光刻EUV和深紫外光刻DUV上。

2003年,EUV组织的几百位科学家在发表了大量的论文,论证了EUV可行性之后,组织光荣解散。

此后,尘埃ASML就像一个努力的学生,在打赢了浸润式战役之后就投入到了EUV的研发中。

2012年10月17日,美国政府没有经受住ASML持续的忽悠,在ASML“承诺”了一大堆有的没的条件后,最终同意了ASML收购Cymer——一家顶级光源企业。

2015年,ASML经过10年的研发,终于将EUV弄到了可量产的状态。这其中,台积电、Intel、三星都消耗了巨大的人力和物力。可以说,EUV并不是一家公司有足够能力完成的,这是一个重要的产业事实。

到目前为止,EUV完全被ASML垄断。

ASML其实是一个攒局高手,EUV的核心技术集中在三大领域:顶级的光源(激光系统)、高精度的镜头(物镜系统)、精密仪器制造技术(工作台)。其中镜头被德国的蔡司垄断、顶级的光源来自于2012年收购的美国企业Cymer、精密仪器制造技术也来源于德国。ASML只掌握了不到10%的核心技术。ASML是集大成者,8000个核心零部件都需要由ASML集成。

ASML是全球化的巨大受益者, ASML背后是美国、日本、欧洲、韩国技术支撑,最终才能生产出极度复杂的EUV。与人们的普遍认知不同,ASML把主要精力放在了与客户沟通、了解客户需求上。同时和客户一起进行可行性研究,同时做一些基础理论研究和技术研发。

到这里,能够看到半导体产业的精髓:全球化的分工和人类的通力合作。每个核心国家都有“一票否决权”,任何一环的断裂,都意味着整个链条的崩塌。

光刻机领域另辟蹊径

一直以来,光刻机都是我们最大的短板,在全球领域中,我们在光刻机方面的突破几乎是微乎其微的,想要生产出28纳米以下的芯片,就必须要用到阿斯麦的高端光刻机。尤其是7纳米以及7纳米以下的光刻机,必须要使用阿斯麦所生产的EUV光刻机。

其实早在上世纪90年代上海微电子就已经着手的光刻机的研发制造了,甚至当时还专门跑到欧洲荷兰的ASML去考察人家的先进模式,但是没想到遭到了ASML工程师的嘲讽,说就算是把图纸完完全全的给到我们中国,我们也根本没有办法也不可能制造出来。

上海微电子奋发图强潜心钻研,虽然芯片制造的生产线还达不到目前最好的7nm和5nm工艺,但是也已经具备了生产14nm和28nm芯片的能力,预计明年就能够实现28nm芯片生产线的下线,虽然距离顶尖的技术还有很大差距,但进步还是很快的。

另外中芯国际更是另辟蹊径,一直在钻研的“N+1“芯片技术,完全不依赖于EUV(极深紫外线)光刻机,用中低端段的DUV光刻机就可以制造出来。而今年也迎来了完美流片一次性通过测试的好消息,这个新闻无疑给我国半导体行业打了一剂强心针,因为”N+1“项目对标的正是目前国际标准的7nm芯片,虽然在部分功效上还是比7nm芯片略低了一点,但是也相差无几了。

也正是由于中芯国际的技术突破,中科院现在也已经下场全院主力研发非EUV光刻机的制造核心技术,传闻目前中国和佳能、尼康正在紧密合作,相信也一定能有极大的突破。

而就在此时,ASML急切表态,DUV光刻机不受限制能直接卖给中国,并且还要在明年加大对于我国市场的投入力度,其实就是很担心我国一旦非EUV光刻机在和日企联手下取得突破,那么ASML不仅仅在我国,甚至在全世界的营收都会受到极大的影响。但同时,美国又将其中六项核心技术纳入实体清单,做了拦路虎,不管是美国与ASML唱双簧,还是ASML真心想给中国卖人情,都不重要了,重要的是不抱有幻想,实实在在的把核心技术掌握在自己手中,中国半导体行业一定能走出一条光明大道。

本文源自头条号:每日安全资讯

标签