為何被阿斯麥、台積電反超?美媒揭開美國晶片的“史詩級失誤”
美國媒體週四發表文章,反思了美國在半導體發展過程中從領先到落後的原因,其中包括本土晶片巨頭英特爾的誤判。以下是文章主要內容:
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阿斯麥的High-NA EUV微影機
鳳凰網科技訊
這是一個史詩級的戰略失誤。
美國在半導體技術發展的早期發揮了至關重要的作用,這項技術已成為當今人工智慧(AI)革命的基石。然而,現在的格局是,一家荷蘭公司壟斷了半導體製造設備,亞洲製造商主導了生產。
極紫外光刻機(EUV)可以說是目前世界上最重要的電子設備。它的問世造就了後來的尖端晶片製造,實現了晶片處理能力的重大提升,為新一代AI工具鋪平了道路。 OpenAI旗下ChatGPT、GoogleGemini等AI平台執行的大量多層次運算,加速了通常由人類完成的大量任務。EUV技術的取得也成為了美國的國家經濟安全問題。
不過,麻煩的是,只有一家公司在生產EUV光刻機:荷蘭的阿斯麥。每台EUV光刻機都有一輛巴士那麼大,造價超過2億美元。迄今為止,阿斯麥已售出200多台EUV光刻機,這讓它成為了歐洲最有價值的科技股,市值超過3,500億美元。
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英特爾市值已遠遠落後於台積電、英偉達
那麼,美國是如何拱手讓出這項關鍵技術的控制權的呢?其中部分原因是,只有相對較少的晶片產業主管認為EUV可行。另一個原因是:美國當時的長期晶片霸主、全球最大晶片製造商英特爾的誤判。
美國的先發優勢
矽晶片由電晶體組成,後者本質上是一系列閘極和開關,構成了現代計算中0和1的物理表現。為了讓電腦更強大,半導體工程師一直在尋求把電晶體做得更小。上個世紀中葉發明的第一批電晶體大約有一公分長。而現在,它們只有幾奈米寬,或者說十億分之幾公尺。
在晶片製造的最初幾十年裡,可見光被用來在矽上刻蝕圖案來製造晶體管,這個過程被稱為光刻。隨後,業界才轉向紫外光。在1980年代,科學家開始想知道晶片製造如何達到接近原子的尺度水平,這要求他們保持創新的步伐。總部位於新澤西州的貝爾實驗室的研究人員開始研究極紫外線技術,緊隨其後的是美國能源部的三個國家實驗室:勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞實驗室。美國能源部最終為這項研究投入了數千萬美元。
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英特爾
隨著這些實驗室在一些技術要素上取得進展,他們意識到,要將極紫外線技術推向市場,產業支援是不可或缺的。 1997年,一家名為EUV LLC的公私合營公司成立,它得到了美國公司英特爾、AMD和摩托羅拉的支持。最終,它的規模進一步擴大,納入了光刻公司矽谷集團和阿斯麥。阿斯麥也加入了歐洲的一個類似EUV研究聯盟。
當時,日本的尼康、佳能是光刻領域的巨人。日本似乎是美國主導晶片製造領域的最大威脅。因此,美國不願在下一代科技競賽中幫助日本,而是支持矽谷集團和阿斯麥。阿斯麥將全部精力都放在了EUV技術上,並在接下來幾年裡試圖發揮其潛力。 2001年,阿斯麥斥資11億美元收購了矽谷集團,在EUV競爭中獨當一面。當時,它預計EUV技術將在2006年具有商業可行性。
技術挑戰
但是,事實證明,阿斯麥的預期過於樂觀了。 EUV技術非常複雜,其中涉及用高功率雷射以每秒5萬次的速度轟擊錫滴,使其產生能夠發射極紫外光的等離子體。由於極紫外光在地球上不會自然產生,它會被空氣吸收,這個過程必須在真空中進行。然後,光被一系列鏡子聚焦,反射在一個掩膜版(reticle)上。掩膜版上面刻有電路圖案,能阻擋並吸收一些光。透過這種方式,電路圖案被蝕刻在晶圓上。
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掩膜版的作用
鑑於這些設備的操作精度,德國蔡司公司製造的鏡子必須光滑得近乎不可思議:最大凸起只有一個原子那麼高。阿斯麥表示,如果將鏡子比做一個國家,那麼最高的凸起將只有1毫米高。而且,用雷射轟擊熔錫也很棘手。它需要定期清理,這意味著有很多停機時間。這讓人很難想像光刻機是如何做到經濟實惠的:半導體製造工廠幾乎需要每週7天、每天24小時不停地運轉,才能證明數十億美元的建造成本是合理的。
直到2012年,半導體產業才開始認為這項技術可能是可行的。但是,它仍然需要注入大量資金。於是,阿斯麥求助最大客戶:台積電投資了14億美元,三星電子投資了9.74億美元,英特爾投資高達41億美元。當時,這三家晶片製造商總共持有阿斯麥約四分之一的股票。
誤判的代價
這一招奏效了。 2018年,阿斯麥開始大量出貨EUV光刻機。儘管EUV技術的大部分早期工作都是在美國完成的,而且英特爾是阿斯麥的最大業內支持者,但第一代機器沒有一台是交付給英特爾的。
這並不是阿斯麥有意為之,而是英特爾的選擇。英特爾時任CEO科再奇(Brian Krzanich)當時並不相信這項技術能夠達到在經濟上可行的規模。他繼續押寶已有技術,直到他所看到的EUV問題得到解決。當時,他也有理由感到自信:英特爾在尖端晶片製造製程方面一直領先於同行。
事實證明,這是一個誤判。台積電使用EUV製程的在2018年左右首次在技術上超過英特爾。台積電做的是所謂的代工業務:蘋果、英偉達和AMD等客戶設計自己的晶片,然後委託台積電製造。
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英特爾製造流程被台積電甩開
同時,英特爾取代EUV的「多圖案」晶片光刻技術無法可靠地運作。當英特爾將製程微調到可以大規模生產時,台積電和三星已經在生產更先進的半導體了。
技術上的落後對美國產生了更深層的影響,因為台積電也向華為等中國公司供貨。從2019年開始,EUV技術製造的晶片被搭載在華為智慧型手機上。這麼一來,一項部分由美國資本資助、部分基礎研究在美國實驗室進行的技術,似乎可能會讓它的對手受益。於是,美國開始施壓荷蘭政府,阻止阿斯麥向中國出售EUV光刻機。
亡羊補牢
現在,英特爾仍在為當初的誤判而痛苦。
帕特·基辛格(Pat Gelsinger)在2021年接任英特爾CEO,他在今年4月表示:「我們當初採取了很多措施來避免對EUV的需求,但正如你所看到的,這導致我們在功率、性能、面積和成本方面落後了。”
股市表現也說明了這個錯誤的嚴重性。早在2012年投資阿斯麥時,英特爾的市值是英偉達的15倍,幾乎是台積電的兩倍。現在,它的市值已無法和這兩家公司相提並論:英特爾現在的市值為1640億美元,而台積電的市值達到了6500億美元,英偉達的市值更是衝到了2.2萬億美元。這在很大程度上是因為英特爾沒有採用EUV技術。
如今,基辛格正急於確保自己不會重蹈前任的覆轍。英特爾正在大力支持下一代EUV技術:高數值孔徑(High NA),這種技術使用新的光學系統將光線聚焦到一個較小的點。英特爾已經在俄勒岡州的一個工廠安裝了第一個預生產模型。