2024，中国芯片还需要DUV光刻机吗？

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文 / 硅基研究室谢浩陈芝超

美国对中国半导体产业 " 卡脖子 " 的关键绳索，在 2024 年开年之际，悄然落下。

当地时间 1 月 1 日，荷兰光刻机巨头 ASML 发布声明称，荷兰政府已于近期部分吊销了向中国大陆出口部分芯片制造设备的许可证，涉及设备型号为 NXT:2050i 和 NXT:2100i 光刻系统，并遗憾表示 " 可能会对少数客户带来影响 "。

少数客户是谁，影响范围可能有多大？ASML 没有答案。

由于更先进的 EUV 光刻设备早在 2019 年被禁运，此次被限制出口的 2050i，2100i 基本上可以视作当前最先进的一批 DUV 光刻机型号，广泛应用于 40nm 以下的制程产能中，对应 28nm、14nm、10nm、7nm 四个主要制程节点。

作为 1980di 机型的更新版，2050i，2100i 同属采用 193nm 波长光的浸润式光刻设备，借助多重曝光等技术，具备生产 7nm 制程芯片的能力，理论上能够生产 5nm 制程芯片。

ASML 的 DUV 光刻机产品对比，2100i 基本可视为当前最先进的一批型号

来源：硅基研究室制图

过去，针对 EUV 的封锁，更多是 " 威慑意义 "。现在，对眼前这批 DUV 设备的禁运，起到的效果无疑要更为直观——包括成熟制程和部分先进制程在内的 40nm 以下的晶圆制造，也被 " 卡脖子 "。

正如部分业内人士所总结的那样，EUV 设备即便是敞开卖给中国大陆，基于当前在设计、制造、封装、测试环节的综合产业现状，也没有能力量产 3nm 芯片，而这批 DUV 设备的禁运，则恰好正是国内芯片产业能够 " 努努力够到 " 的区间。

此前，华为旗舰 Mate 60 搭载麒麟 9000S 亮相，就曾引发外界种种猜测，各方拆解评测的结果显示其综合性能处于骁龙 888（三星 5nm）和骁龙 8 Gen1（三星 4nm）之间，和苹果 A13（台积电 7nm+）相仿。保守估计，国内晶圆代工产业，已经事实上具备量产等效 7nm 制程芯片的能力，只不过结合对市场供给的表现推断，这些先进工艺芯片的产能还在爬坡之中。

更进一步，相比于产能扩张层面的显性影响，更大的影响可能在于战略层面——先进光刻系统的禁运，将带动上下游产业链集体 " 去美化 "，只是中国芯片制造业必须要把各个制程节点和产业环节 " 重走一遍 "，因此要付出巨大的经济代价和时间成本。

1、" 丢掉幻想，准备战斗 "

过去，芯片产业自身的不透明性和高技术门槛，造成了真假参半的各类消息充塞舆论场，也一度影响了市场和公众对于芯片产业发展的认知，并带来了诸多不切实际的 " 误判 "，包括但不限于：

· ASML 公司有办法不遵守或是绕开禁令，继续为中国输送光刻设备

· 摩尔定律可能会在未来停滞，中国芯片代工产业有大把的时间反超台积电和三星

从政策层面来看，期待 ASML 的 " 友谊 " 或是芯片禁令的转机能够帮助中国芯片产业度过难关，无疑是 " 天方夜谭 "，这并不是因为 ASML" 不够哥们 "。与之相反，不少业内人士均向 " 硅基研究室 " 表明，在芯片禁令的执行层面，ASML 已经 " 仁至义尽 "。

一年前，针对美日荷三国达成的限制中国先进设备出口協定，ASML CEO 温宁克就曾在公开场合予以隐晦的否定：" 你给中国施加的压力越大，他们就越有可能加倍努力打造可以媲美 ASML 的光刻机。"

而在实际行动中，基于商业的考量，ASML 也在努力配合中国大陆客户的要求，在禁令生效之前，努力 " 抢运 " 光刻机。

公开资料显示，仅 2023 年 10 月，中国大陆从荷兰进口的光刻机数量就高达 21 台，总价值 6.725 亿美元，此后的 11 月，中国大陆又进一步进口了 42 台光刻设备，总价值高达 8.168 亿美元。其中有 16 台光刻机是来自荷兰，总价值 7.627 亿美元。

来自 ASML 的三季度财报也显示，来自中国大陆的销售收入占比由已经从一季度的 8% 和二季度的 24%，翻倍增长到了 46%。无外乎部分业内人士感慨称 ASML 还算 " 够朋友 "：

" 光刻设备作为高度客制化的机型，几乎不存在库存，按照传统惯例，厂商都是收到三四成所有的预付款才会开始动工。" 结合 2023 年下半年这么大规模的出货量来看，ASML 显然将光刻机产能中的很大一部分都调配给了中国客户。

ASML 在机场转运 DUV 机台，转运过程全程监控设备的温度、震动系数等数据

来源：ASML

ASML 还算 " 够朋友 " 还体现在后续的产品服务上，一位不愿透露姓名的消息人士表示，即便是对于已经售往中国大陆的先进光刻机，在面临美国的軟體、零部件断供压力时，ASML 仍在尽力延长技术人员在华的停留时间，配合售后服务。

不过，不同于掌握芯片设计绝对话语权的英伟达，能以 " 特供 AI 芯片 " 绕开监管措施，ASML 光刻机的零部件高达 10 万个，分别来自全球超过 5000 家供应商，其中最核心的光源，尤其是 EUV 光源，几乎完全是由美国公司西盟（Cymer）所垄断，即便次一级的 DUV 光源，虽然日本和中国的部分企业在不懈突破瓶頸，但距离 ASML 的标准仍有差距，这也是美国有信心展开 " 长臂管辖 " 的根源所在。

从这个角度来说，伴随着新一轮禁令的落地，将中国芯片产业的发展过度押注在 ASML" 绕开封锁 " 上，无疑并不现实。毕竟，此轮禁令并不是突发事件，也不是终点，而是自 " 芯片法案 " 之后，美国推动与中国科技产业脱钩的其中一环。

从 2022 年开始，美国连续推出的芯片法案，出口限制法案，均意在拉拢日荷，共同针对中国大陆半导体产业。为此，2023 年 1 月，美国、日本、荷兰达成对华先进半导体生产设备的出口管制協定，按照这份協定，针对波长 193nm、分辨率小于 45nm 的 DUV 设备，只要包含受控物项超过 0%，就受美国管制。随后，日本限制 23 种高性能半导体制造设备出口的管制令于 7 月 23 日生效；荷兰限制光刻机等半导体设备和技术的出口管制，则选择了 9 月 1 日作为生效节点。

今天摆在中国晶圆代工企业面前的这份 "2050i，2100i" 设备禁令，正是荷兰政府本该于去年 9 月 1 日落地的那份管制協定，在多方斡旋之下，不断推迟、豁免至今的结果。

类似的，后面所提到的 " 摩尔定律停滞 "，同样也是非专业人士的 " 美好幻想 "。

来源：网络

摩尔定律预测集成电路上的晶体管数量每 24 个月增加一倍，上图对应当年最先发布的芯片产品。

理论上，芯片的 " 制程 " 不能无限制缩小，这是由芯片的最小电路蚀刻宽度—— " 线宽 " 所决定，线宽越窄，部門面积所能刻蚀的晶体管数量就越多，芯片性能自然也更强。而一节电路要想正常通电，至少也需要维持在百十个原子的宽度，这意味着芯片的 " 线宽 " 很难在突破 " 纳米级 " 之后，继续向下推进。

但线宽工艺的停滞，并不代表摩尔定律的衰亡。

伴随着技术的进步，当下芯片制程对摩尔定律的推进，早已不再依赖 " 线宽 " 指标的提升。业内资深建厂工程师向 " 硅基研究室 " 透露，芯片产业的线宽从 28nm 制程之后，就基本没有再提升，但是这并未妨碍这段时期，摩尔定律继续向前推进。长达十余年的时间里，半导体产业在尝试用更先进的架构，来立体化堆叠晶体管，并最终转化为 " 等效制程 " 的工艺，为摩尔定律 " 续命 "。

换句话说，所谓的 3nm 芯片，并不是指芯片的最小线宽达到了 3nm，而是借助架构和工艺的提升，实现了 " 同 3nm 芯片一样的能效 "。

目前，包括台积电、英特尔等半导体企业，已经纷纷更新了新制程的立项。12 月 14 日，台积电在 IEEE 国际电子器件会议上透露，1.4nm 级制造技术已经开始研发，名为 14A，目前进展顺利，预计将于 2027 年 -2028 年之间量产。

资深芯片专家、《芯片简史》作者汪波此前曾提到，" 摩尔定律不仅仅是一个单纯的技术定律，也是一个关于人的信心和希望的定律，回顾芯片产业的发展历史，只要年轻人永远敢于打破常规，积极创新，摩尔定律的脚步就不会停下。"

" 摩尔定律 " 看不到衰退迹象，对手们不会停下来等待中国芯片制造的追赶。从这个角度来说，比起相信恶劣的外部环境会在未来有所好转，" 丢掉幻想，准备战斗 "，或许才是国产芯片行业未来数十年的常态化主题。

2、不存在 " 落后产能 "

打造自主晶圆代工体系，类似的 " 战斗 "，事实上早在数十年前就已经全面铺开。

国际半导体产业协会（SEMI）公布的数据显示，今天，来自中国大陆的晶圆月产能已经高达 760 万片，这一数字占据了全球半导体产能的 25.6%，这基础上，2024 年，中国大陆半导体产能还将继续以 13% 的增长率领跑全球。

庞大的产业规模是中国芯片制造的 A 面，" 大而不强 "、" 耗费巨大 " 是它的 B 面，也是持保守态度的业内外人士诘难的核心。

部分芯片业内人士就曾告诉 " 硅基研究室 "，由于技术封锁，中国芯片不得不采取完全违背市场规律的方式，从设计、制造、封装、测试环节大量补贴，耗费巨大的同时，也造成了芯片行业目前学术界和产业界的认知割裂。

" 我们像下饺子一样布局晶圆工厂，但由于产业上下游的弱势，很多工厂的制程还比较落后，国产化率和良率也没有保障。"

与之相对的是，过去相当长一段时间，部分企业和舆论传达给公众的是 " 喜报连连 "，从设备到技术层面，均有着 " 重大突破 "。

种种 " 突破 " 的背后，什么才是中国芯片产业目前的真实现状？新的光刻机禁令生效后，2024 年，我们还需不需要 DUV 光刻机？中国半导体产业又是否需要继续下单、建厂、扩产？

回答上述问题，还是要从半导体产业的发展轨迹中去寻觅。

宏观层面，科技与战略风云学会会副会长陈经认为 " 芯片产业仍然没有跳脱出工业和科技的范畴，这也意味着只要愿意砸钱下功夫，就一定能搞出来。" 毕竟，昔日的台湾地区，在半导体产业起步上的 " 一穷二白 "，要比大陆半导体产业 " 犹有胜之 "。

微观层面，市场也要认识到，半导体产业在设备研发上要面临的重重困境——一台 EUV 光刻机的关键研发过程，可以帮助人们更清晰的感受这一产业的技术门槛：

美国 Cymer 公司在经历无数次失败后，才获得波长 13.5nm 的极紫外光源；为了保证光源功率，需要保证镜面的平整度，ASML 研发了一种特殊的镜子，平整度也令人咋舌——将镜面放大到云南省的大小，表面的平整度相差也不超过 1 毫米。

在解决了数十万个零部件带来的层出不穷的技术难题后，ASML 终于研发出第一台 EUV 光刻机，单台成本高达 2 亿美元，这些光刻机的部件在交付客户的时候，不得不依靠 4 架波音 747 飞机实现运送。在运抵晶圆厂后，经历上百名工程师的反复安装和调试，才能开始试制作样品，而每一代光刻机从第一批样品，到最后具备高良率的量产能力，往往又需要 2-3 年不等的时间。

Intel 接收高数值孔径 EUV 部件，可覆盖 2nm 制程工艺

来源：Intel

《芯片战争》一书的作者、塔夫茨大学弗莱彻学院国际历史副教授克里斯 · 米勒这样总结芯片产业发展：" 半导体制造工厂——晶圆厂，是世界上最昂贵的工厂，今天，半导体产业正在进行着人类有史以来最复杂的制造过程。"

从这个角度来说，期待中国半导体产业逆转周期，在短时间内接连取得重大技术突破，乃至于在制程上有所领先，都是违背产业规律的。

即便是全球过往的半导体产业发展，也是建立在美日荷和中国台湾地区的高度分工化和官方补贴的基础上。某种意义上，中国对芯片产业的追逐，等于把一部芯片产业的 70 年的全球史，用 20 年甚至更短的时间压缩完成，难度和挑战可想而知。

而在这一过程中，中国芯片产业最缺乏的还不是光刻机，而是上下游的产业链和人才。毕竟，没有光刻机，中国芯片企业只是造不出最先进的芯片，而上下游产业链企业的缺乏，则导致了整个产业在后续的禁令中，面临 " 跛脚 " 的风险。

这也是为什么，即便是向 ASML 购入 NXT:1980i 等型号，继续上马 40nm 这样的外界眼中的 " 落后产能 "，在多位资深从业者看来也有必要。

一方面，光刻系统没有所谓的 " 落后制程 "。

光刻机之间，先进的和落后的型号之间不是相互替代的关系，而是协同关系，在台积电的生产过程中，7nm、5nm 芯片并不是完全由 EUV 来制作，而是两种机型交替合作，其中，7nm 的 80 层光罩里，由 EUV 完成的仅有 12 层，剩下的 68 层均是借助 DUV 曝光，5nm 节点下的 100 层光罩里，由 DUV 机型负责曝光的比率，也高达 78%。

相比之下，目前国产光刻机能达到的理想水平在 28nm 左右，其国产化率和良率在短期内也无法得到保证，暂时还不足以完成对前者的完美替代。

另一方面，半导体产业也没有所谓的 " 落后产能 "。

公开数据显示，2023 年到 2027 年，全球晶圆代工成熟制程（28nm 以上）和先进制程（16nm 以下）的产能比重预计将维持在 7 ∶ 3，这意味着，在高性能芯片频出的当下，全球半导体产业中，40nm 和 28nm 制程仍然能满足近 7 成产品需求。

中芯国际临港 12 英寸晶圆代工生产线

来源：芯智讯

在这基础上，中国芯片产业更是需要源源不断的开工生产，来不断 " 练兵 "，激活上下游的需求，实现产业的协同发展。

正如一位业内资深人士所说的那样：

" 全球各地的半导体产业，最开始的技术、工艺都很差，要到第二代第三代积累了经验，才会好起来，在被封锁的当下，只有继续买这些‘用不到’的光刻机增扩产能，才能让上下游的企业都获得订单，有充足的资金去继续推进下一代。"

从这个角度来说，芯片禁令的确会极大的消耗时间和资源，但这并不代表 DUV 产能是一种 " 累赘 "，恰恰相反，未来，中国芯片业只会需要越来越多的 DUV 产能，在世界半导体产业的长河中韬光养晦，保持前行。

3、光刻是最优解，不是唯一路径

比起 " 落后制程 " 带来的资金浪费，" 落后认知 " 才是真正影响半导体产业发展，带来巨大靡费的隐患所在。

前文提及的资深建厂工程师就曾向 " 硅基研究室 " 表示，半导体行业的学术界和产业界存在着一定程度的 " 割裂 "，很多人习惯于用 " 军工产业 " 的思维来看待半导体产业。

" 半导体不是原子弹，不是有没有的区别，而是商业产业，要做好成本控制。"

事实上，先进制程光刻系统的研发只是企业要解决的诸多问题之一。按照浸润式光刻的发明者、台积电技术专家林本坚博士的设想，即便是传统的 40nm、28nmDUV 光刻机，借助浸润式、镜头改进、OPC 补偿、多重曝光等技术提升，也可以满足 7nm 甚至 5nm 的制作需求，但带来的低良率和低产能，才是全球半导体产业放弃这一技术路线，转向 EUV 技术的关键。

按照光源类型，光刻机可分为 UV、DUV、EUV

来源：硅基研究室制图

" 同样的 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，再算上产能的差距，相较于单纯用 DUV 来生产，EUV 在芯片成本上大概优化了 3 倍。"

战略咨询专家余盛在《芯片战争》一书中，也曾反复强调过 " 良率 " 和 " 产能 " 这两项指标无与伦比的重要意义。

对于芯片制造业来说，良率就意味着成本，产能就意味着时效。以苹果和台积电的合作为例，后者的良率表现，将直接影响苹果为芯片代工支付的成本，进而影响企业的毛利，甚至产品的最终定价，而产能的高低，则决定了苹果新品可以在多长时间内备足库存，从而大幅领先竞争对手发布新品。

某种意义上，正是源于台积电在这两项指标上的卓越表现，才换来了苹果的长期认可和订单。

业内人士透露，即便是 ASML 那些躺在世界各地工厂里好几年的老旧型号光刻机，也依然有着大量的工程师在对其进行效率和生产环节的不断优化，" 绝大多数的 DUV 和 EUV 光刻机，每年軟體代码的行数都在不断的增加。"

相比之下，公众舆论对于半导体产业的技术研发，则部分停留在 " 做出来 " 这一层面，只要相关技术达到指标，可以通过验收即可，至于后续的生产、应用、调试，往往缺乏关注。这样的产品和技术，用于提升国产半导体产业的制造水平，未免离题万里。

这也是为什么，包括汪波在内的诸多从业者都认为，来自西方的科技制裁封锁，也是一次对国内制造产业链的 " 重新梳理 " 和 " 进化倒逼 "：

" 一方面就是逼着我们继续去把制造的问题解决了，另外一方面就是去探索新的方向。目标是唯一的，但是实现的路径、方法可能有多种多样的，并不唯一。现在 EUV 是其中一种方法，但除此之外，还有许多技术路线。"

汪波告诉 " 硅基研究室 "，纳米压印，是其中的一种可选项。

与光刻机漫长的技术迭代历史不同，纳米压印技术出现于 1995 年，美国工程院院士、华裔科学家周郁教授为突破 DUV 光刻的技术瓶颈，首次提出了基于高分子模压工艺的全新超高分辨率（<10nm）的纳米结构制造技术——纳米压印技术。而得益于佳能此前宣布启动 FPA-1200NZ2c 纳米压印半导体制造设备的消息，纳米压印技术受到众多关注。

压印本就是古老的图形转移技术，打个比方，纳米压印光刻造芯片也像一个手工 " 盖图章 " 的过程。将栅极长度只有几纳米的电路刻在 " 印章 "（模板）上，再将 " 印章 " 盖在橡皮泥（压印胶）上，得到与印章相反的图案后，再将图形固化，完成微纳加工的 " 雕刻 " 步骤。

与传统的光刻技术相比，纳米压印技术不需要复杂的光路系统和昂贵的光源，或许可以大幅降低制造成本。但目前来看，这一技术路线的产能和效率问题也尚未得到解决。作为对比，光刻系统可以自由调度生产，在工厂的实际制造流程里，同一台 DUV 光刻机在不同时段，可以用于生产不同制程的芯片，通过预设生产程式，不同型号的光刻系统也可以实现协同工作。但在纳米压印技术下，生产流程则不可避免会显得有些 " 机械 " 和 " 孤立 "，" 纳米压印是 1:1 的，一个模子，才能压下去一个同样大小的一个芯片。"