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美国战略失误 错失引领芯片制造良机

分类:行业数据 | 时间:2024-4-12 12:12 | 阅读:72

摘要: 美国在开发支撑当今人工智能(AI)革命的半导体技术方面发挥了至关重要的早期作用。然而,现在是一家荷兰公司ASML垄断了该工艺,而亚洲制造商则主导了生产。媒体称,这是一次史无前例的战略失误。 ...
美国在开发支撑当今人工智能(AI)革命的半导体技术方面发挥了至关重要的早期作用。然而,现在是一家荷兰公司ASML垄断了该工艺,而亚洲制造商则主导了生产。媒体称,这是一次史无前例的战略失误。

极紫外(EUV)光刻机是目前世界上最重要的半导体设备。它们使得芯片实现了处理能力的跳跃式变化,为新一代人工智能工具铺平了道路。OpenAI的ChatGPT和谷歌的Gemini等人工智能平台执行的大量多级计算加速了通常由人类执行的多种任务。这使得获得EUV技术成为中美等国家的经济安全的问题。

中美面临的问题是,EUV设备仅由ASML一家公司制造。每台设备成本超过2亿美元。截至目前,ASML已发货超过200台。

美国是如何放弃对这项关键技术的控制的?部分原因是很少有行业高管认为EUV可行。另一个原因是美国芯片制造商英特尔公司长期以来的误判。

近原子尺寸

硅芯片由晶体管组成——本质上是一系列逻辑门和开关,它们是现代计算中0和1的物理表现。为了使计算机变得更强大,半导体工程师不断寻求使晶体管变得更小。第一个发明于上世纪中叶,长度约为1厘米。现在,它们的直径只有几纳米,或者十亿分之几米。

在芯片制造的最初几十年里,可见光被用来将图案烧入硅中以制造晶体管——这一过程被称为光刻,之后该行业转向紫外光。20世纪80年代,科学家们开始思考芯片制造如何达到维持创新步伐所需的近原子规模。美国新泽西州贝尔实验室的研究人员开始研究极紫外线技术,美国能源部的三个国家实验室也紧随其后:Lawrence Livermore(劳伦斯·利弗莫尔),Lawrence Berkeley(劳伦斯·伯克利)和Sandia(桑迪亚)。美国能源部最终为这项研究投入了数千万美元。


随着这些机构在某些技术要素上取得进展,他们意识到行业的支持对于将其推向市场至关重要。1997年,一家名为EUV LLC的公私合作伙伴关系成立,美国公司英特尔、AMD和摩托罗拉均加入其中。最终,它的规模扩大到包括光刻公司Silicon Valley Group Inc.(硅谷集团)和ASML,后者还参与了欧洲类似的EUV研究联盟。

当时,日本的尼康和佳能是光刻机领域最大的厂商,而日本似乎是美国芯片制造主导地位的最大威胁。因此,美国不愿在下一代技术的竞争中为该亚洲国家提供支持,而是转而支持硅谷集团和ASML。ASML全力投入EUV,并在接下来的几年里试图发挥其潜力。2001年,ASML斥资11亿美元收购了硅谷集团,使得这场竞争仅剩一家企业。当时,预计EUV将于2006年实现商业化。

技术挑战

事实证明这过于乐观了。这项技术极其复杂。它涉及用高功率激光每秒50000次喷射锡滴,产生发射EUV光的等离子体。因为这种光在地球上不会自然产生——这个过程必须在真空中进行。然后光线被一系列透镜聚焦,从十字线上反射回来。这是玻璃或透镜上的一种图案,可以阻挡和吸收一些光线,并在此过程中创建要蚀刻到芯片中的电路图案。

由于这些东西运行的规模,要求德国蔡司制造的透镜必须足够光滑:最大的瑕疵只有一个原子高。ASML表示,如果透镜按比例缩小到一个国家的大小,那么最高的凸起将只有1毫米高。用激光喷射熔化的锡很麻烦,它需要定期清理,这意味着需要大量的停机时间。这使得人们很难看出这些机器如何经济:半导体制造设施需要每周7天、每天24小时运行,才能证明花费数十亿美元建造它们是合理的。

直到2012年,业界才开始认为这项技术确实可行,而且仍然需要大量资本的涌入。因此,ASML转向了其最大的客户:台积电向其投资14亿美元,三星电子投资9.74亿美元,英特尔承诺投资41亿美元。当时,这三个芯片制造商总共拥有ASML约25%的股票。

这一策略奏效了,2018年,ASML开始大量出货EUV设备。尽管早期的大部分运行都是在美国完成的,而且英特尔是ASML最大的工业支持者,但第一代设备没有一台是为英特尔生产的。

CPU处理技术

这不是ASML的选择,而是英特尔的。时任英特尔CEO布莱恩·科兹安尼克(Brian Krzanich)并不相信该技术能够以经济的规模发挥作用。他押注于能够使现有技术发挥作用,直到他认为EUV的问题得到解决。他有充分的理由充满信心:英特尔在尖端芯片制造工艺方面一直领先于同行。


事实证明这是一个错误。使用EUV工艺的台积电在2018年左右首次在技术上超越英特尔。台积电经营代工业务,包括苹果、英伟达和AMD在内的客户设计自己的芯片,然后与台积电签订合同来制造。

与此同时,英特尔努力使其替代的“多重图案化”芯片光刻方法可靠地工作。而台积电和三星将工艺微调到可以大规模应用,开始生产更先进的半导体。

中国大陆挑战赛

如果中国大陆能够制造或购买最先进的芯片,这将有助于其在工业中部署人工智能。尽管中国大陆拥有相当大的技术能力,但其所需的大部分半导体仍然需要进口。确保自己的EUV产能成为当务之急。

自本世纪之交以来,美国一直依靠荷兰政府阻止ASML向中国大陆出售任何设备。到目前为止,中国大陆仍然没有EUV设备。

英特尔的下一步行动

与此同时,英特尔仍在遭受其误判的困扰。

于2021年接任英特尔CEO的帕特·基辛格(Pat Gelsinger)今年4月表示:“我们采取了重大措施来避免对EUV的需求,正如你所看到的,它在功耗、性能、面积和成本方面产生了缺陷。”

股市说明了该错误的严重程度。早在2012年投资ASML时,英特尔的市值是英伟达的15倍,几乎是台积电的2倍。现在它的规模只是这两家公司的一小部分:英特尔的估值为1640亿美元,台积电为6500亿美元,英伟达为2.2万亿美元。这很大程度上是因为英特尔未获得EUV。

基辛格渴望确保他不会重蹈前任的覆辙。英特尔正在全力支持下一代High-NA EUV:高数值孔径。该方法使用新的光学系统将光线聚焦到更小的点,英特尔已经在俄勒冈州的一个地点安装了第一个预生产模型。

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