乔斯·本肖普（Jos Benschop）正在爬梯子，准备到达他最新机器的顶部。

这玩意儿可真够笨重的。这玩意儿跟双层巴士差不多大——超过150吨闪闪发光的精密铝材，上面布满了成千上万条蜿蜒的管道、彩色电缆和加压罐。从地面上看，它就像一台未来版的V8发动机。我和本肖普爬到顶端时，我们正从大约15英尺高的空中往下看，下面穿着防护服的技术人员正忙碌地穿梭着。

这套设备体积超过200立方米，堪称科技的结晶——“它是由机电一体化装置构成，能以原子级的精度将几面镜子固定在特定位置，”他一边说着，一边指着这庞大的装置。本肖普今年66岁，身材高大，满脸胡茬，他和他的工程师们花了十多年时间设计这套设备，即便如此，他有时看着它，还是会惊叹道：我的天哪。

本肖普是ASML（一家荷兰公司，也是微芯片行业的领军企业）的技术执行副总裁。如果你想制造用于手机或人工智能的强大芯片，就需要像我们现在站着的这种光刻机来制造越来越小的电路。光刻技术是一门艺术和科学，它利用光照射硅晶圆，从而在晶圆上形成晶体管、线路和其他微芯片组件的图案，这些组件最终将被切割下来。

芯片制造领域基本上由两家大型企业控制：制造光刻机的 ASML 和芯片制造巨头台积电。

九年前，ASML开始销售采用一种大胆创新的芯片图案化技术的机器。这些机器利用极紫外光（EUV）——一种远超可见光谱的辐射——通过将激光束以每秒数万次的频率照射微小的熔融锡滴而产生。这些首批机器——一项历时16年、耗资约100亿美元的研发“登月计划”的成果——能够以13纳米的分辨率制造晶体管图案。而这款新型机器的性能更胜一筹：其分辨率仅为8纳米，相当于约40个硅原子的宽度。目前，这些设备正以令人咋舌的价格——每台4亿美元（约27亿人民币）——运往芯片制造厂（晶圆厂）。

但芯片制造商们会毫不犹豫地掏钱，因为他们正处于一场激烈的竞赛中，力求每年都推出更新、更先进的芯片。这意味着他们必须掌握能够制造更小元件、并将元件更密集地集成在一起的机器——这是制造速度更快、能效更高的芯片的长期策略之一。

多年来，ASML 的工具对于维持摩尔定律至关重要。如果没有该公司先进的芯片制造技术，芯片密度以及执行更多计算的能力很可能早已停滞不前。

随着OpenAI和Anthropic等公司竞相搭建服务器集群，用于训练和部署功能日益强大的新模型，人工智能行业对高密度芯片的需求也随之激增，而这些新模型又需要功能日益强大的新硬件。ASML的最新产品有望助力人工智能产业至少再蓬勃发展十年。

ASML首席技术官Marco·Pieters告诉我：“我们可以让客户使用越来越小的功能，这为我们今天在人工智能领域看到的一切开辟了空间，而这些人工智能技术绝对令人叹为观止。我认为我们看到的只是冰山一角。”

ASML对“缩小尺寸”（芯片制造行业中的说法）的不懈追求，使其成为行业主导力量：该公司生产了全球约90%的芯片光刻设备。如果你从事芯片制造，ASML的产品就不可或缺。

但这种垄断地位令一些人，包括政府，感到不安。芯片制造领域实际上由两家巨头掌控：一家是制造光刻机的ASML，另一家是台湾芯片制造巨头台积电（TSMC），后者使用ASML的设备生产绝大多数微芯片。这种双寡头垄断格局如此强大，以至于具有地缘政治影响。为了阻止中国发展先进的人工智能，美国政府在2019年向荷兰政府施压，要求其实施禁运：禁止ASML向任何中国公司出售高端设备。正如《Focus: The ASML Way》一书的作者Marc Hijink所说，从地缘政治角度来看，“芯片是新的石油” 。缺乏芯片的后果可能与缺乏石油一样灾难性。在这个比喻中，ASML就像是霍尔木兹海峡。

光刻技术初创公司Substrate的联合创始人兼首席执行官James Proud表示，目前的情况并不理想。Substrate在其网站上指出，美国对海外且成本日益高昂的供应链“过度依赖”。Proud说：“市场高度集中在少数几家企业手中，而且供应链成本非常高昂。”

正因如此，在ASML占据主导地位二十年后，潜在的竞争对手们正虎视眈眈地觊觎着它的地盘。像Substrate这样的初创公司也试图加入这场竞争，它们的目标是制造出比ASML的庞然大物更便宜、更小巧、功能更强大的光刻机。它们之中会有人成功吗？ASML显然仍将占据近期的主导地位，但正如其工程师们所熟知的那样，只要掌握了正确的技术诀窍，就能撼动巨头的地位。

制造芯片的过程，说来也怪，有点像丝网印刷T恤。要在硅晶圆上印刷图案，首先要将图案印在光罩上——光罩是一种承载图案的掩模。用光照射光罩，就能将图案转移到晶圆上。光线与晶圆上的化学层发生反应，从而将图案固定在晶圆上。

芯片特征的尺寸部分取决于机器所用光的波长：波长越短，可制造的电路就越小。虽然可以通过增加所谓的数值孔径（通常意味着更换更大的镜头）来进一步聚焦光线，从而制造出更小的元件，但这种方法终究会达到极限，需要寻找波长更短的新光。

因此，芯片制造的历史就像一场两步舞。行业找到合适的光源，最终提高数值孔径，然后最终接受需要更短波长的光，如此循环往复。直到20世纪90年代初，芯片制造商一直使用波长约为400纳米的可见光。到了90年代中期，他们升级到深紫外光，最终将其波长缩短至193纳米。到了90年代末，他们意识到深紫外光的时代即将终结。那么，接下来又会是什么呢？

所有方案都存在问题。他们可以改用波长仅为一纳米的X射线，但聚焦极其困难。电子束和离子束的精度也相当高；但它们的工作方式就像点阵打印机一样，逐点传输图案，速度太慢。（芯片行业需要一台每小时能生产数百片晶圆的机器。）

大约在2001年，当时在光刻领域规模较小的ASML公司将目光投向了另一种选择：极紫外光刻（EUV），其波长略低于X射线波段。尼康和佳能也在进行相关研究，但最终都退出了——而ASML则坚持了下来。这项技术充满了未知数。没有人知道如何可靠地产生这种类型的光，也不知道如何聚焦它；极紫外光会被普通的玻璃透镜吸收，甚至会被空气吸收。ASML估计，要克服这场研发噩梦，至少需要六年时间。

事实上，这项技术耗时16年，投入约100亿美元进行研发，最终成功了。这台在真空环境下工作的机器，通过汽化熔融锡并利用反射镜引导光束来产生极紫外光。德国历史悠久的光学公司蔡司不得不发明新的技术来抛光和检测反射镜，利用离子束去除细微的瑕疵。

“他们似乎对‘嘿，这肯定行不通’之类的质疑置之不理，而是埋头苦干，攻克这些巨大的工程难题，”Jeff Koch说道，他曾就职于ASML，现在是芯片行业研究公司SemiAnalysis的分析师。“ASML是一家非常依赖工程技术的公司：他们派出成千上万的工程师，让他们一举攻克这些问题。他们就是这么做的，而且成功了。”

2017年首批EUV光刻机上市时，每台售价超过1亿美元。一些观察人士质疑，台积电、三星和英特尔等主要芯片制造商是否真的有需求。在芯片制造商等待EUV技术普及的几年里，光刻行业已经开发出巧妙的方法来改进传统的深紫外光。（例如，在晶圆上覆盖一层水，可以使光线聚焦得更窄。）或许在一段时间内，EUV的需求并不大？

但ASML运气不错。EUV技术问世仅几年后，OpenAI就发布了GPT-3，随后又发布了ChatGPT。人工智能迅速成为主流。OpenAI、谷歌、Meta和Anthropic等公司立刻对高端芯片趋之若鹜，因为它们需要构建庞大的服务器集群来训练和部署大型语言模型。EUV技术使得AI专用芯片的设计生产更加便捷高效。英伟达开始生产高端GPU——专为AI训练而设计的处理器——每颗售价高达4万美元；各大公司都趋之若鹜。人工智能大战爆发，EUV技术需求旺盛。ASML表示，到2025年，该公司已向企业售出近50台EUV设备，营收近400亿美元。截至发稿时，该公司的市值已超过5000亿美元。

ASML光刻机不乏客户，但ASML永不止步，始终专注于缩小芯片尺寸。为了进一步缩小芯片尺寸，本肖普和他的工程师们决定不采用新的光源，而是采取两步走计划的第二步：将机器的数值孔径提高一半以上（具体来说，就是从0.33提升到0.55）。这样一来，晶体管的尺寸就能缩小近一半，芯片上的晶体管密度也能提高近三倍。

这也更容易实现。由于无需开发全新的光源，这台基于高数值孔径极紫外（EUV，或称“高NA”）的新机器将是渐进式的，而非革命性的。

尽管如此，构建这套新系统仍然面临一些棘手的挑战。在极紫外光刻机中，将图像转移到晶圆上的方法是：首先用光照射光罩上的微芯片图案，然后利用光学系统对反射光进行缩小处理，将图案缩小到晶圆上所需的尺寸。由于光线在任何给定时间只能照射到光罩的一部分，因此需要快速来回移动光罩，使图案的每个部分都能被光线照射到。

提高数值孔径意味着可以在瞄准镜的光罩上设计更小的特征。但这同时也意味着，部分光线会以更陡的角度到达光罩并反射回来。

这就是问题所在。瞄准镜上的图案是三维的，所以光线以如此大的角度照射进来会产生阴影——就像倾斜的阳光在大峡谷中形成阴影一样。这会降低机器清晰显示图案的能力。

解决方案是改变光罩上的图案，以及反射镜接收光线并将其缩小以将图案投射到晶圆上的方式。现在，光罩上的图案长度将是宽度的两倍——相当于在一个维度上被拉伸了。

但这种设计也带来了自身的问题。由于反射镜的改动，单次扫描时晶圆上曝光的面积只有原EUV光刻机的一半，降低了系统的速度。而ASML无法容忍任何速度下降：芯片制造商为这些产能巨大的机器支付了高昂的价格，其产能约为每小时200片晶圆。

如果系统的一部分速度减慢，另一部分就必须加快速度。工程师们决定让机器更快地移动光罩，这意味着要减轻整个机构的重量并对其进行大幅重新设计。新的光罩以高达 22g 的加速度移动，比公司原有的 EUV 光刻机快得多。“千万别试图坐在上面，否则你会晕过去，”Pieters告诉我。晶圆平台也随着光罩的移动而更快地移动。

与此同时，在德国，蔡司的工程师们正忙于设计新的反射镜，以适应更高的数值孔径和不对称的光束整形。这些新反射镜的尺寸大约是普通EUV光刻机中反射镜的两倍，而将光线从光罩传输到晶圆的投影系统重量更是达到了12吨，是之前的七倍。为了处理这些笨重的新部件，蔡司新建了一条机器人辅助生产线。该公司表示，这些部件的表面是他们迄今为止制造过的最光滑的。

与此同时，ASML正致力于提升其EUV光源的功率，以加快晶圆曝光流程。工程师们计算得出，如果将激光照射每个锡液滴三次（而非像第一台机器那样照射两次），EUV的输出功率就能得到提升。这意味着原本就运转繁忙的锡液点火系统需要将速度提高50%。ASML位于圣地亚哥的工程主管Alex Schafgans表示：“激光器的功率一直在不断提升。”EUV光源正是在圣地亚哥制造的。

事实上，一台机器的激光器就占据了整整一个房间。本肖普向我展示了那台巨大的高数值孔径激光器后，我们穿过走廊，进入一个摆满了六英尺高巨型盒子的房间，这些盒子都是激光系统的一部分。透过盒子侧面的小窗口，我们可以看到用于产生激光的紫色等离子体在发光。

当高数值孔径机器开始下线时，有一家公司早已翘首以盼：英特尔。该公司购买了第一台上市销售的高数值孔径机器，并在2024年春季，300名ASML工程师来到俄勒冈州英特尔的一家晶圆厂，开始组装和测试这台机器。

“ASML 居然在其中一个盒子上系了一条巨大的丝带，”英特尔硬件和光刻解决方案总监、英特尔院士Mark Phillips笑着说。他的团队一直在测试这台机器的性能；Phillips不愿透露更多细节，只表示他对“设备健康状况的快速恢复非常满意”。他也没有透露英特尔何时开始用这台机器制造芯片，不过业内人士认为很可能在明年。英特尔计划循序渐进地推广使用，先用它制造芯片上的少量精密元件，然后逐步增加制造量。

英特尔如今面临的是重振雄风的机会。它曾是硅芯片领域的巨头，设计并生产用于计算机和服务器的尖端CPU。但在2010年代，新兴市场转向了移动芯片以及用于人工智能和游戏的GPU，英特尔迅速失去了市场份额。苹果公司自主设计移动芯片（并委托台积电代工），英伟达也在GPU领域采取了同样的做法。谷歌于2015年开始生产由台积电代工的人工智能芯片——TPU，并很快将其部署到各个数据中心。

因此，英特尔在2021年宣布了一项雄心勃勃的计划。它将大力发展代工业务，与台积电展开正面竞争。英特尔的代工厂不会生产英特尔芯片，而是为移动电话制造商和人工智能芯片制造商等客户生产定制芯片。

英特尔希望率先采用高数值孔径技术，从而在硅芯片的激烈竞争中获得优势，使其能够比其他任何人都更快地打印微小图案。

它还能简化客户的工作流程。多年来，在等待极紫外光刻机（EUV）问世期间，芯片设计师们利用多重曝光技术来延长旧式光刻技术的使用寿命。每个芯片都由多层构成，这些层层堆叠起来形成开关和线路等组件。如果您正在处理其中一层，并且需要制作比机器通常能够制作的尺寸更小的特征，您可以将该层的图案分解成多个图案，然后逐一曝光晶圆。这种策略帮助芯片制造商继续使用较旧（也更便宜）的设备，同时还能制造越来越小的组件。但是，多重曝光技术很麻烦：设计复杂的图案叠加更具挑战性，而且打印每个芯片的速度也慢得多。如果您知道可以使用“单次曝光”技术，一次性曝光每一层，那么芯片设计就会容易得多。

观察人士表示，要在台积电和三星的主场建立一家能够与之匹敌的晶圆代工企业并非易事。“跨越式发展很难，”Hijink说道。但不可否认的是，高科技行业对更优质芯片的需求如此旺盛，以至于英特尔有可能成功，原因很简单，即使是台积电和三星也无法满足所有需求。

Koch说：“有溢出需求，所以英特尔可以靠它生存下去。现在这可不是残羹剩饭，而是一顿正餐。它可能不是最好的晶圆代工厂，但他们能造芯片，而能做到这一点的公司只有三家，对吧？”

台积电似乎在高数值孔径（NA）极紫外光刻技术方面持观望态度。该公司在致《麻省理工科技评论》的信中表示：“台积电将在高数值孔径极紫外光刻技术成熟并能为客户带来最大效益时才会部署该技术。”一些人猜测，台积电要到2030年代才会大规模使用这些设备。部分原因是成本：台积电一心追求以尽可能低的成本生产芯片，而高数值孔径极紫外光刻设备每台造价高达4亿美元，远高于之前的极紫外光刻设备。而且与之前的设备不同，这些新设备并非革命性的飞跃。

“就性能而言，这大概提升了30%到50%。”分析师兼前ASML员工Koch表示，“这可能是ASML推出的第一款没有立即展现出明显商业价值的工具。”

Koch表示，并非整个行业最终不会大规模采用高数值孔径光刻技术。大多数公司如果想继续缩小芯片尺寸，就必须这样做。但台积电更有可能继续利用现有的极紫外光刻设备，通过繁琐的多重曝光技术榨取这一代设备的全部性能，直到绝对必要才进行升级。

Koch说：“只有当一个行业完全无法再突破它一直在做的事情哪怕一点点时，它才会转变范式。”

ASML的垄断地位及其设备价格的不断攀升，也促使其他新兴企业涌现。但这些企业并没有试图复制ASML在极紫外光刻（EUV）领域的突破，而是另辟蹊径——致力于研发使用完全不同光形式的光刻设备。他们承诺，这些设备将更加经济实惠，且性能同样强大。

其中一家是位于旧金山的初创公司Substrate。该公司成立于四年前，致力于研发一种利用粒子加速器产生的X射线进行成像的工具。X射线的波长极短，使其成为一种极具潜力的微型结构制造工具。

粒子加速器历来体积庞大，难以融入芯片制造工艺。Substrate公司表示，他们利用数十年来粒子加速技术的进步，生产出体积更小、适合大规模生产的光源。

去年，该公司发布了一些图片，展示了他们制作出的精细图案。首席执行官Proud表示，目前只有使用高数值孔径的极紫外光刻机才能实现这种效果。他还表示，Substrate的目标是到2030年实现芯片的大规模生产。

但Proud并不打算将这些工具卖给台积电或英特尔。事实上，他也不打算卖给任何人。相反，Substrate希望建立自己的晶圆厂，使用自己的工具制造芯片。

Proud认为，半导体行业需要新的发展模式，因为它成本过高且过于集中。该公司指出，如今建造一座晶圆厂的成本可能高达250亿美元，而2010年代的成本约为50亿美元。Proud表示，这导致单片晶圆（包含先进芯片）的成本逼近10万美元。

“我认为这成本太高了，”他说。供应链的产能也不足：“它相对缓慢，难以灵活应对当前需求的增长。”他很欣赏ASML的EUV光刻工具——它是“这项技术的巅峰之作”——但还需要新的方法。

部分原因是出于国家安全考虑。普劳德和他的团队认为，美国依赖外国供应过于危险。但他同时预测，当前的AI热潮将会加速发展，产生巨大的芯片需求，而现有的ASML/TSMC双寡头垄断企业将无法满足这一需求：“我们需要的芯片数量将比现在最乐观的预测还要大几个数量级。”

Substrate公司预测，其成品晶圆的生产成本将达到每片1万美元——仅为Proud预测的行业平均水平的十分之一。Proud表示，部分原因是该公司采用垂直整合的系统，能够控制芯片制造流程的各个环节；另一部分原因是其光刻工具的复杂度较低：“我们能够将其集成到一个更简单的封装中。”

不过，Substrate公司仍然对其技术秘而不宣。与ASML不同，该公司并未详细说明其如何产生光线，以及如何将光线转化为晶圆上的图案。

Substrate 的雄心壮志令一些业内人士感到担忧。Hijink 认为，同时掌握一种新型光刻技术和高通量晶圆制造技术几乎“不可能实现”，因此他将该公司的保密做法视为一个危险信号。“这个行业讲究的是开放式创新，”他说道。

Koch更欣赏这家公司的雄心壮志和资金实力。他说，该公司正在研发的技术“确实很酷”，“很有意思”。但他补充道，“从实验室规模的演示到大规模量产还有很长的路要走”，“这会对ASML构成直接威胁吗？可能不会。”

另一家计划与Substrate同期上市的初创公司是Lace Lithography。这家位于挪威的公司正在研发一种完全不同的光刻技术。它使用一束高能氦原子束照射光罩上的图案。当氦原子撞击晶圆时，它们会将能量传递给晶圆，从而将图案复制到芯片上。

这个想法由来已久。首席执行官Bodil Holst早在 2008 年就萌生了这个想法，当时她还是一名研究原子束应用的物理学家。麻省理工学院教Henry “Hank” Smith是利用 X 射线进行光刻技术的先驱，他告诉她应该探索利用原子作为制造微芯片的机制，因为当时他并不确定 ASML 的 EUV 光刻技术能否成功。“即使它成功了，我们最终也需要原子，”他告诉她。

Holst进行了一些实验以进一步研究这个想法，并与他的前博士生——物理学家兼机器学习专家Adrià Salvador Palau合作创立了Lace公司。与Substrate公司一样，Lace的工具与ASML的大型设备截然不同。 Palau说，激发原子的来源“看起来有点像火箭发动机”，“非常酷”。虽然极紫外光的波长为13.5纳米，但氦原子可以提供0.1纳米的精度。该工艺所需的能量也少得多，而且机器的设计目标是做得更小。Holst告诉我，公司计划在2029年或2030年之前将机器交付给晶圆厂。

Palau说：“我认为大家都非常期待能够将路线图扩展到光以外、EUV 以外。”

ASML 对这些新兴公司抱有浓厚的兴趣。Benschop 表示，他无法评估 Substrate 的技术是否可靠且经济实惠，因为该公司尚未对其工艺流程做出任何解释。但他曾参加过一个会议，Holst 和 Palau 在会上介绍了 Lace Lithography 的技术。

“他们的工艺让我印象深刻，”他说。但他指出，问题在于他认为这种工艺在晶圆上形成的图案深度不够，无法满足实际应用需求。“我看不出他们如何才能将其规模化生产成可行的量产产品，”他告诉我。

他认为，ASML在EUV光刻技术方面的精湛技艺将使其在短期内继续保持领先地位。“到目前为止，我还没有看到任何可行的替代方案，”他说。他认为，在最先进芯片的批量生产方面，“没有真正的竞争对手”。

塔夫茨大学国际历史教授、著有《芯片战争》（一本讲述全球芯片行业霸权争夺战的书）的克里斯·米勒表示，芯片制造领域的重大变革的确进展缓慢。他通过电子邮件告诉我：“毫无疑问，我们最终会找到（EUV）的替代方案。但值得注意的是，光刻技术的转型历来耗时数年，甚至数十年。”

ASML的高管们也在思考公司的未来。Benschop预计，高数值孔径技术将在2030年代主导芯片制造行业。至于之后呢？事实上，该行业每十年都会转向一种新的照明方式。

“你可能会说，现在是时候迎接下一个十年了，”在我们脱下兔子服，他一边放松地喝着咖啡一边对我说。

但ASML的高管们认为，通过进一步提高现有设备的数值孔径（NA），他们可以继续挖掘EUV技术的更多潜力。他们已经在尝试一种将NA从0.55提升到0.75的设计，即所谓的“超NA”。这将使他们能够以6纳米的分辨率对晶圆进行图案化。他们还在努力将各种光学元件标准化到一个单一尺寸的平台上，这样客户就可以订购一台配备普通EUV、高NA或超NA功能的机器。如果所有功能都集成在同一尺寸的设备中，将简化每种功能在晶圆厂集成时的成本和物流。Benschop估计，如果公司最终实现这一目标，超NA设备可能会在七八年后上市，并在2030年代后半期实现量产。

目前，主动权掌握在ASML手中。“我们正在挑战物理学的极限，”Pieters告诉我。现在的问题是，是否有人能做得更好。

（备注：本文来自MIT科技评论）

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