2024，中国芯片还需要DUV光刻机吗？｜芯事重重

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文 / 硅基研究室 谢浩 陈芝超
编辑 / 腾讯科技 苏扬
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机型的升级版，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。


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。
有业内人士向硅基研究室透露，“这次美国主导的新规是把限制延伸到了14nm以下用的ArF DUV，所以2000系列才会被禁。目前来看国内绝大部分项目都是28nm及以上成熟制程，是不会受影响的。倒是部分在美国实体清单上的客户今后1980都可能拿不到，这才是真正影响。”
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协议，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，在面临美国的软件、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攻关，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。
// 注：Cymer已于2013年被ASML收购，目前已经是ASML全资的子公司
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协议，按照这份协议，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日落地的那份管制协议，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”。


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，单位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。


《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。
// 注：NXT:2000以上系列的浸润式DUV光刻机在海外EUV不受限的晶圆厂，一般会用到7nm以下来配合EUV生产先进工艺芯片，中国大陆的foundry也主要用来做10nm以下工艺，14nm以上成熟工艺主要是采用NXT:1980光刻系统。
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。


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。


“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，每年软件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，尽管替代EUV的机会渺茫，相比之下替代i-line或者KrF光刻系统可能性很大。

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（