今天小編分享的科技經驗：2024，中國芯片還需要DUV光刻機嗎？，歡迎閱讀。
文 / 矽基研究室 謝浩 陳芝超
美國對中國半導體產業 " 卡脖子 " 的關鍵繩索，在 2024 年開年之際，悄然落下。
當地時間 1 月 1 日，荷蘭光刻機巨頭 ASML 發布聲明稱，荷蘭政府已于近期部分吊銷了向中國大陸出口部分芯片制造設備的許可證，涉及設備型号為 NXT:2050i 和 NXT:2100i 光刻系統，并遺憾表示 " 可能會對少數客戶帶來影響 "。
少數客戶是誰，影響範圍可能有多大？ASML 沒有答案。
由于更先進的 EUV 光刻設備早在 2019 年被禁運，此次被限制出口的 2050i，2100i 基本上可以視作當前最先進的一批 DUV 光刻機型号，廣泛應用于 40nm 以下的制程產能中，對應 28nm、14nm、10nm、7nm 四個主要制程節點。
作為 1980di 機型的更新版，2050i，2100i 同屬采用 193nm 波長光的浸潤式光刻設備，借助多重曝光等技術，具備生產 7nm 制程芯片的能力，理論上能夠生產 5nm 制程芯片。
ASML 的 DUV 光刻機產品對比，2100i 基本可視為當前最先進的一批型号
來源：矽基研究室制圖
過去，針對 EUV 的封鎖，更多是 " 威懾意義 "。現在，對眼前這批 DUV 設備的禁運，起到的效果無疑要更為直觀——包括成熟制程和部分先進制程在内的 40nm 以下的晶圓制造，也被 " 卡脖子 "。
正如部分業内人士所總結的那樣，EUV 設備即便是敞開賣給中國大陸，基于當前在設計、制造、封裝、測試環節的綜合產業現狀，也沒有能力量產 3nm 芯片，而這批 DUV 設備的禁運，則恰好正是國内芯片產業能夠 " 努努力夠到 " 的區間。
此前，華為旗艦 Mate 60 搭載麒麟 9000S 亮相，就曾引發外界種種猜測，各方拆解評測的結果顯示其綜合性能處于骁龍 888（三星 5nm）和骁龍 8 Gen1（三星 4nm）之間，和蘋果 A13（台積電 7nm+）相仿。保守估計，國内晶圓代工產業，已經事實上具備量產等效 7nm 制程芯片的能力，只不過結合對市場供給的表現推斷，這些先進工藝芯片的產能還在爬坡之中。
更進一步，相比于產能擴張層面的顯性影響，更大的影響可能在于戰略層面——先進光刻系統的禁運，将帶動上下遊產業鏈集體 " 去美化 "，只是中國芯片制造業必須要把各個制程節點和產業環節 " 重走一遍 "，因此要付出巨大的經濟代價和時間成本。
1、" 丢掉幻想，準備戰鬥 "
過去，芯片產業自身的不透明性和高技術門檻，造成了真假參半的各類消息充塞輿論場，也一度影響了市場和公眾對于芯片產業發展的認知，并帶來了諸多不切實際的 " 誤判 "，包括但不限于：
· ASML 公司有辦法不遵守或是繞開禁令，繼續為中國輸送光刻設備
· 摩爾定律可能會在未來停滞，中國芯片代工產業有大把的時間反超台積電和三星
從政策層面來看，期待 ASML 的 " 友誼 " 或是芯片禁令的轉機能夠幫助中國芯片產業度過難關，無疑是 " 天方夜譚 "，這并不是因為 ASML" 不夠哥們 "。與之相反，不少業内人士均向 " 矽基研究室 " 表明，在芯片禁令的執行層面，ASML 已經 " 仁至義盡 "。
一年前，針對美日荷三國達成的限制中國先進設備出口協定，ASML CEO 溫寧克就曾在公開場合予以隐晦的否定：" 你給中國施加的壓力越大，他們就越有可能加倍努力打造可以媲美 ASML 的光刻機。"
而在實際行動中，基于商業的考量，ASML 也在努力配合中國大陸客戶的要求，在禁令生效之前，努力 " 搶運 " 光刻機。
公開資料顯示，僅 2023 年 10 月，中國大陸從荷蘭進口的光刻機數量就高達 21 台，總價值 6.725 億美元，此後的 11 月，中國大陸又進一步進口了 42 台光刻設備，總價值高達 8.168 億美元。其中有 16 台光刻機是來自荷蘭，總價值 7.627 億美元。
來自 ASML 的三季度财報也顯示，來自中國大陸的銷售收入占比由已經從一季度的 8% 和二季度的 24%，翻倍增長到了 46%。無外乎部分業内人士感慨稱 ASML 還算 " 夠朋友 "：
" 光刻設備作為高度客制化的機型，幾乎不存在庫存，按照傳統慣例，廠商都是收到三四成所有的預付款才會開始動工。" 結合 2023 年下半年這麼大規模的出貨量來看，ASML 顯然将光刻機產能中的很大一部分都調配給了中國客戶。
ASML 在機場轉運 DUV 機台， 轉運過程全程監控設備的溫度、震動系數等數據
來源：ASML
ASML 還算 " 夠朋友 " 還體現在後續的產品服務上，一位不願透露姓名的消息人士表示，即便是對于已經售往中國大陸的先進光刻機，在面臨美國的軟體、零部件斷供壓力時，ASML 仍在盡力延長技術人員在華的停留時間，配合售後服務。
不過，不同于掌握芯片設計絕對話語權的英偉達，能以 " 特供 AI 芯片 " 繞開監管措施，ASML 光刻機的零部件高達 10 萬個，分别來自全球超過 5000 家供應商，其中最核心的光源，尤其是 EUV 光源，幾乎完全是由美國公司西盟（Cymer）所壟斷，即便次一級的 DUV 光源，雖然日本和中國的部分企業在不懈突破瓶頸，但距離 ASML 的标準仍有差距，這也是美國有信心展開 " 長臂管轄 " 的根源所在。
從這個角度來說，伴随着新一輪禁令的落地，将中國芯片產業的發展過度押注在 ASML" 繞開封鎖 " 上，無疑并不現實。畢竟，此輪禁令并不是突發事件，也不是終點，而是自 " 芯片法案 " 之後，美國推動與中國科技產業脫鉤的其中一環。
從 2022 年開始，美國連續推出的芯片法案，出口限制法案，均意在拉攏日荷，共同針對中國大陸半導體產業。為此，2023 年 1 月，美國、日本、荷蘭達成對華先進半導體生產設備的出口管制協定，按照這份協定，針對波長 193nm、分辨率小于 45nm 的 DUV 設備，只要包含受控物項超過 0%，就受美國管制。随後，日本限制 23 種高性能半導體制造設備出口的管制令于 7 月 23 日生效；荷蘭限制光刻機等半導體設備和技術的出口管制，則選擇了 9 月 1 日作為生效節點。
今天擺在中國晶圓代工企業面前的這份 "2050i，2100i" 設備禁令，正是荷蘭政府本該于去年 9 月 1 日落地的那份管制協定，在多方斡旋之下，不斷推遲、豁免至今的結果。
類似的，後面所提到的 " 摩爾定律停滞 "，同樣也是非專業人士的 " 美好幻想 "。
來源：網絡
摩爾定律預測集成電路上的晶體管數量 每 24 個月增加一倍， 上圖對應當年最先發布的芯片產品。
理論上，芯片的 " 制程 " 不能無限制縮小，這是由芯片的最小電路蝕刻寬度—— " 線寬 " 所決定，線寬越窄，部門面積所能刻蝕的晶體管數量就越多，芯片性能自然也更強。而一節電路要想正常通電，至少也需要維持在百十個原子的寬度，這意味着芯片的 " 線寬 " 很難在突破 " 納米級 " 之後，繼續向下推進。
但線寬工藝的停滞，并不代表摩爾定律的衰亡。
伴随着技術的進步，當下芯片制程對摩爾定律的推進，早已不再依賴 " 線寬 " 指标的提升。業内資深建廠工程師向 " 矽基研究室 " 透露，芯片產業的線寬從 28nm 制程之後，就基本沒有再提升，但是這并未妨礙這段時期，摩爾定律繼續向前推進。長達十餘年的時間裡，半導體產業在嘗試用更先進的架構，來立體化堆疊晶體管，并最終轉化為 " 等效制程 " 的工藝，為摩爾定律 " 續命 "。
換句話說，所謂的 3nm 芯片，并不是指芯片的最小線寬達到了 3nm，而是借助架構和工藝的提升，實現了 " 同 3nm 芯片一樣的能效 "。
目前，包括台積電、英特爾等半導體企業，已經紛紛更新了新制程的立項。12 月 14 日，台積電在 IEEE 國際電子器件會議上透露，1.4nm 級制造技術已經開始研發，名為 14A，目前進展順利，預計将于 2027 年 -2028 年之間量產。
資深芯片專家、《芯片簡史》作者汪波此前曾提到，" 摩爾定律不僅僅是一個單純的技術定律，也是一個關于人的信心和希望的定律，回顧芯片產業的發展歷史，只要年輕人永遠敢于打破常規，積極創新，摩爾定律的腳步就不會停下。"
" 摩爾定律 " 看不到衰退迹象，對手們不會停下來等待中國芯片制造的追趕。從這個角度來說，比起相信惡劣的外部環境會在未來有所好轉，" 丢掉幻想，準備戰鬥 "，或許才是國產芯片行業未來數十年的常态化主題。
2、不存在 " 落後產能 "
打造自主晶圓代工體系，類似的 " 戰鬥 "，事實上早在數十年前就已經全面鋪開。
國際半導體產業協會（SEMI）公布的數據顯示，今天，來自中國大陸的晶圓月產能已經高達 760 萬片，這一數字占據了全球半導體產能的 25.6%，這基礎上，2024 年，中國大陸半導體產能還将繼續以 13% 的增長率領跑全球。
龐大的產業規模是中國芯片制造的 A 面，" 大而不強 "、" 耗費巨大 " 是它的 B 面，也是持保守态度的業内外人士诘難的核心。
部分芯片業内人士就曾告訴 " 矽基研究室 "，由于技術封鎖，中國芯片不得不采取完全違背市場規律的方式，從設計、制造、封裝、測試環節大量補貼，耗費巨大的同時，也造成了芯片行業目前學術界和產業界的認知割裂。
" 我們像下餃子一樣布局晶圓工廠，但由于產業上下遊的弱勢，很多工廠的制程還比較落後，國產化率和良率也沒有保障。"
與之相對的是，過去相當長一段時間，部分企業和輿論傳達給公眾的是 " 喜報連連 "，從設備到技術層面，均有着 " 重大突破 "。
種種 " 突破 " 的背後，什麼才是中國芯片產業目前的真實現狀？新的光刻機禁令生效後，2024 年，我們還需不需要 DUV 光刻機？中國半導體產業又是否需要繼續下單、建廠、擴產？
回答上述問題，還是要從半導體產業的發展軌迹中去尋覓。
宏觀層面，科技與戰略風雲學會會副會長陳經認為 " 芯片產業仍然沒有跳脫出工業和科技的範疇，這也意味着只要願意砸錢下功夫，就一定能搞出來。" 畢竟，昔日的台灣地區，在半導體產業起步上的 " 一窮二白 "，要比大陸半導體產業 " 猶有勝之 "。
微觀層面，市場也要認識到，半導體產業在設備研發上要面臨的重重困境——一台 EUV 光刻機的關鍵研發過程，可以幫助人們更清晰的感受這一產業的技術門檻：
美國 Cymer 公司在經歷無數次失敗後，才獲得波長 13.5nm 的極紫外光源；為了保證光源功率，需要保證鏡面的平整度，ASML 研發了一種特殊的鏡子，平整度也令人咋舌——将鏡面放大到雲南省的大小，表面的平整度相差也不超過 1 毫米。
在解決了數十萬個零部件帶來的層出不窮的技術難題後，ASML 終于研發出第一台 EUV 光刻機，單台成本高達 2 億美元，這些光刻機的部件在交付客戶的時候，不得不依靠 4 架波音 747 飛機實現運送。在運抵晶圓廠後，經歷上百名工程師的反復安裝和調試，才能開始試制作樣品，而每一代光刻機從第一批樣品，到最後具備高良率的量產能力，往往又需要 2-3 年不等的時間。
Intel 接收高數值孔徑 EUV 部件， 可覆蓋 2nm 制程工藝
來源：Intel
《芯片戰争》一書的作者、塔夫茨大學弗萊徹學院國際歷史副教授克裡斯 · 米勒這樣總結芯片產業發展：" 半導體制造工廠——晶圓廠，是世界上最昂貴的工廠，今天，半導體產業正在進行着人類有史以來最復雜的制造過程。"
從這個角度來說，期待中國半導體產業逆轉周期，在短時間内接連取得重大技術突破，乃至于在制程上有所領先，都是違背產業規律的。
即便是全球過往的半導體產業發展，也是建立在美日荷和中國台灣地區的高度分工化和官方補貼的基礎上。某種意義上，中國對芯片產業的追逐，等于把一部芯片產業的 70 年的全球史，用 20 年甚至更短的時間壓縮完成，難度和挑戰可想而知。
而在這一過程中，中國芯片產業最缺乏的還不是光刻機，而是上下遊的產業鏈和人才。畢竟，沒有光刻機，中國芯片企業只是造不出最先進的芯片，而上下遊產業鏈企業的缺乏，則導致了整個產業在後續的禁令中，面臨 " 跛腳 " 的風險。
這也是為什麼，即便是向 ASML 購入 NXT:1980i 等型号，繼續上馬 40nm 這樣的外界眼中的 " 落後產能 "，在多位資深從業者看來也有必要。
一方面，光刻系統沒有所謂的 " 落後制程 "。
光刻機之間，先進的和落後的型号之間不是相互替代的關系，而是協同關系，在台積電的生產過程中，7nm、5nm 芯片并不是完全由 EUV 來制作，而是兩種機型交替合作，其中，7nm 的 80 層光罩裡，由 EUV 完成的僅有 12 層，剩下的 68 層均是借助 DUV 曝光，5nm 節點下的 100 層光罩裡，由 DUV 機型負責曝光的比率，也高達 78%。
相比之下，目前國產光刻機能達到的理想水平在 28nm 左右，其國產化率和良率在短期内也無法得到保證，暫時還不足以完成對前者的完美替代。
另一方面，半導體產業也沒有所謂的 " 落後產能 "。
公開數據顯示，2023 年到 2027 年，全球晶圓代工成熟制程（28nm 以上）和先進制程（16nm 以下）的產能比重預計将維持在 7 ∶ 3，這意味着，在高性能芯片頻出的當下，全球半導體產業中，40nm 和 28nm 制程仍然能滿足近 7 成產品需求。
中芯國際臨港 12 英寸晶圓代工生產線
來源：芯智訊
在這基礎上，中國芯片產業更是需要源源不斷的開工生產，來不斷 " 練兵 "，激活上下遊的需求，實現產業的協同發展。
正如一位業内資深人士所說的那樣：
" 全球各地的半導體產業，最開始的技術、工藝都很差，要到第二代第三代積累了經驗，才會好起來，在被封鎖的當下，只有繼續買這些‘用不到’的光刻機增擴產能，才能讓上下遊的企業都獲得訂單，有充足的資金去繼續推進下一代。"
從這個角度來說，芯片禁令的确會極大的消耗時間和資源，但這并不代表 DUV 產能是一種 " 累贅 "，恰恰相反，未來，中國芯片業只會需要越來越多的 DUV 產能，在世界半導體產業的長河中韬光養晦，保持前行。
3、光刻是最優解，不是唯一路徑
比起 " 落後制程 " 帶來的資金浪費，" 落後認知 " 才是真正影響半導體產業發展，帶來巨大靡費的隐患所在。
前文提及的資深建廠工程師就曾向 " 矽基研究室 " 表示，半導體行業的學術界和產業界存在着一定程度的 " 割裂 "，很多人習慣于用 " 軍工產業 " 的思維來看待半導體產業。
" 半導體不是原子彈，不是有沒有的區别，而是商業產業，要做好成本控制。"
事實上，先進制程光刻系統的研發只是企業要解決的諸多問題之一。按照浸潤式光刻的發明者、台積電技術專家林本堅博士的設想，即便是傳統的 40nm、28nmDUV 光刻機，借助浸潤式、鏡頭改進、OPC 補償、多重曝光等技術提升，也可以滿足 7nm 甚至 5nm 的制作需求，但帶來的低良率和低產能，才是全球半導體產業放棄這一技術路線，轉向 EUV 技術的關鍵。
按照光源類型，光刻機可分為 UV、DUV、EUV
來源：矽基研究室制圖
" 同樣的 7nm 芯片，用 EUV 跑，可能只需要 40 遍就能跑完，用 DUV 跑，可能需要 90 多遍，再算上產能的差距，相較于單純用 DUV 來生產，EUV 在芯片成本上大概優化了 3 倍。"
戰略咨詢專家餘盛在《芯片戰争》一書中，也曾反復強調過 " 良率 " 和 " 產能 " 這兩項指标無與倫比的重要意義。
對于芯片制造業來說，良率就意味着成本，產能就意味着時效。以蘋果和台積電的合作為例，後者的良率表現，将直接影響蘋果為芯片代工支付的成本，進而影響企業的毛利，甚至產品的最終定價，而產能的高低，則決定了蘋果新品可以在多長時間内備足庫存，從而大幅領先競争對手發布新品。
某種意義上，正是源于台積電在這兩項指标上的卓越表現，才換來了蘋果的長期認可和訂單。
業内人士透露，即便是 ASML 那些躺在世界各地工廠裡好幾年的老舊型号光刻機，也依然有着大量的工程師在對其進行效率和生產環節的不斷優化，" 絕大多數的 DUV 和 EUV 光刻機，每年軟體代碼的行數都在不斷的增加。"
相比之下，公眾輿論對于半導體產業的技術研發，則部分停留在 " 做出來 " 這一層面，只要相關技術達到指标，可以通過驗收即可，至于後續的生產、應用、調試，往往缺乏關注。這樣的產品和技術，用于提升國產半導體產業的制造水平，未免離題萬裡。
這也是為什麼，包括汪波在内的諸多從業者都認為，來自西方的科技制裁封鎖，也是一次對國内制造產業鏈的 " 重新梳理 " 和 " 進化倒逼 "：
" 一方面就是逼着我們繼續去把制造的問題解決了，另外一方面就是去探索新的方向。目标是唯一的，但是實現的路徑、方法可能有多種多樣的，并不唯一。現在 EUV 是其中一種方法，但除此之外，還有許多技術路線。"
汪波告訴 " 矽基研究室 "，納米壓印，是其中的一種可選項。
與光刻機漫長的技術迭代歷史不同，納米壓印技術出現于 1995 年，美國工程院院士、華裔科學家周郁教授為突破 DUV 光刻的技術瓶頸，首次提出了基于高分子模壓工藝的全新超高分辨率（<10nm）的納米結構制造技術——納米壓印技術。而得益于佳能此前宣布啟動 FPA-1200NZ2c 納米壓印半導體制造設備的消息，納米壓印技術受到眾多關注。
壓印本就是古老的圖形轉移技術，打個比方，納米壓印光刻造芯片也像一個手工 " 蓋圖章 " 的過程。将栅極長度只有幾納米的電路刻在 " 印章 "（模板）上，再将 " 印章 " 蓋在橡皮泥（壓印膠）上，得到與印章相反的圖案後，再将圖形固化，完成微納加工的 " 雕刻 " 步驟。
與傳統的光刻技術相比，納米壓印技術不需要復雜的光路系統和昂貴的光源，或許可以大幅降低制造成本。但目前來看，這一技術路線的產能和效率問題也尚未得到解決。作為對比，光刻系統可以自由調度生產，在工廠的實際制造流程裡，同一台 DUV 光刻機在不同時段，可以用于生產不同制程的芯片，通過預設生產程式，不同型号的光刻系統也可以實現協同工作。但在納米壓印技術下，生產流程則不可避免會顯得有些 " 機械 " 和 " 孤立 "，" 納米壓印是 1:1 的，一個模子，才能壓下去一個同樣大小的一個芯片。"
納米壓印與光刻原理對比
來源：電子工程世界
截止目前，這一技術正在全球範圍内迎來關注，TechNavio 數據顯示，2026 年納米壓印市場有望達到 33 億美元，2021 年至 2026 年年復合增長率可達 17.74%。納米壓印市場雖然沒有想象中那樣大，但整體正逐漸走強。
在汪波看來，還有一種技術路徑是電子束光刻。
" 電子也是一種波，波長很短，所以也可以去加工更先進制程的芯片。" 但也存在產能限制、生產效率與生產工藝問題，" 電子束刻蝕有點像我們用筆在紙上去寫字，你需要電子束刻蝕出一條一條的線段，它不像光刻一下子照下來，整個晶圓都有。所以盡管它能夠加工出精度更高、更復雜的結構，但它同樣面臨產能較低的問題。"
其他技術路線上，此前流傳的 " 國產光刻機工廠 " 雖被證實是一場烏龍，但源自于清華大學在 2017 年開啟的 SSMB-EUV 光源技術，确實有望帶來新的發展方向，只是當前這一技術還不夠成熟，距離真正用于光刻系統還有很長的路要走。" 目前來看，它還處于理論階段 "，汪波認為。
除去半導體行業層面的技術探索，面對 AI 產業所帶來的新一輪可見的 " 芯片浪潮 "，提前謀劃布局，同樣可以進一步避免產業層面的 " 步步落後 "。
芯片產業的歷史長河中，所謂依賴新技術路線 " 彎道超車 " 只是個别現象，但從中折射出的客觀規律依然值得人們的思考——任何物種、技術和產業，也都有着時間的周期，而在這基礎上，正如業内人士所總結的那樣：
" 即便是現在最先進的 DUV 光刻機，未來幾十年以後也終将會被淘汰，所以只要我們尊重科學，不斷探索，就永遠有可能跟上技術前進的腳步。"
