有史以來最復雜的機器

芯片是我們這個時代最神奇的產品，也是一種特別可靠的產品。手機里有很多個芯片，可如果誰的手機壞了，一般是屏幕壞了或里面某個會活動的小組件壞了，你大概沒聽說過芯片壞了。芯片幾乎不會壞，因為它就是一個硅塊，上面一個活動的部件都沒有，無數個晶體管不是被“安裝”在芯片上，而是被“刻”在芯片上的，如同印刷一本書。

用什么東西刻呢？光刻機。這是人類有史以來最復雜的機器。我相信它比飛機、火箭、宇宙飛船更復雜，難度更高。因為其他東西的制造技術至少在原則上可以由一個國家掌握，但沒有任何一個國家能掌握最尖端光刻機的全套制造技術。研發光刻機，是一個絕對意義上的跨國工程。

光刻的基本原理，就是用光把芯片藍圖縮小，投影到硅片上，跟表面化學物質發生反應完成刻蝕。最早的光刻用的是普通光源，而普通光源的極限精度是幾百個納米（1納米=10-9米）。要想在單位面積上繼續增加晶體管，必須提高光刻精度，就得用波長更短的光。一開始是用紫外光，然后是深紫外光，很快深紫外光也會達到瓶頸。每兩年就能讓晶體管密度增加一倍的摩爾定律，似乎即將結束。

最不希望摩爾定律到達天花板的是美國的英特爾公司，因為英特爾的CPU性能是跟著摩爾定律成長的。所以英特爾力推開發新的光刻技術。接下來的事情大約可以分為三步：

第一步是科學上的可能性。這一步純屬務虛，科學家設想了各種方法——直到今天也有各種新設想——在1992年，各方的共識是應該使用波長為13.5納米的極紫外光。這只是一個設想，距離做出來光刻機還差得很遠。

第二步是技術上的可行性。這一步就不能由著科學家小打小鬧了，必須投入巨資讓工程師參與。1996年，英特爾聯合幾家芯片廠和幾個國家實驗室成立了一個聯盟，全力開發光刻技術。英特爾承擔了大部分經費。歷經數年，才算大致知道極紫外光刻機應該怎么實現。

第三步才是具體實現。當時，全世界只有3家公司有可能造出來極紫外光刻機，包括日本的佳能和尼康、荷蘭的ASML。美國不想把這么關鍵的技術給日本，最后ASML得到了制造極紫外光刻機的技術授權。美國還要求ASML必須把幾個關鍵部件留在美國生產。

但ASML也不是拿過來就能干，從技術上可行到實現產品化，還有十萬八千里。

首先需要得到極紫外光。要先制造一種直徑是三千萬分之一米的小錫球，讓它以每小時200英里的速度在真空中移動，然后用激光對小錫球進行兩次打擊。第一次是提高小錫球的溫度，第二次是讓小錫球爆炸，把它變成溫度達50萬攝氏度的等離子體——這個溫度比太陽表面的溫度還要高得多。這個噴射錫的過程每秒鐘要重復5萬次，才能得到可以用來光刻的極紫外光。

這個過程說著簡單，但每一步都需要創新。先要找一家叫通快的德國公司開發那個激光器。他家的專長就是二氧化碳激光器，但是其每次產生的能量中有80%是熱，只有20%是激光。這就有個散熱問題。以前都是用風扇散熱，可是光刻機要求風扇每秒鐘要轉1000次，沒有一個物理軸承能承受這樣的風扇。于是，通快專門開發了一個磁懸浮風扇……

有了激光，用激光轟擊錫球的時候，錫球反光怎么辦？怎么保證錫球氣體的密度是恒定的？這些都是問題。于是，這臺激光器，通快公司用了10年才生產出來。這臺激光器本身就有457329個零部件。

用激光器擊打錫球成功了，還得把產生的極紫外光收集起來，為此需要鏡子。可是極紫外光的波長太短，打在一般東西上都被吸收了，并不會被反射。有一篇1998年的論文說可以用金屬鉬和硅交替排列制作能反射極紫外光的鏡子。研究人員一算，發現這個鏡子必須是分層的：一層金屬鉬一層硅交替排列，每層的厚度只有幾納米，而且要做100層。后來又是一家叫蔡斯的德國公司把這個鏡子做出來了——那應該是有史以來最光滑的物體，號稱如果把鏡子放大到整個德國那么大，其中凹凸不規則的部分，也只有1/10毫米。

整個光刻過程差不多是這樣：二氧化碳激光器轟擊錫球得到極紫外光，再用鏡子把極紫外光收集起來透射到硅片上——最終完成的光刻機有火車頭大小，有數十萬個零部件。

ASML最厲害的本事還不是這些具體的研發工作，而是對供應商的協調和管理。

ASML自己只能生產15%的零部件。其他零部件，往往別的公司也沒有現成的，需要研發。像前面說的做激光器和做鏡子的那兩家德國公司，得投入巨資長期研發才行。而光刻機的供應商總共有數千家公司。于是，ASML一方面直接贊助研發，比如，給德國蔡斯公司提供10億美元去搞鏡子；另一方面強調標準和紀律：如果有哪個供應商不聽話，ASML可能會收購它。

直到21世紀初，經過了二三十年，ASML才終于把極紫外光刻技術光刻機做出來。這是一種非常貴的機器。每臺價格超過一億美元不說，買回來還有極高的維護成本。ASML盡了最大的努力，讓光刻機的每個零部件平均至少可以使用3萬小時而不壞。但考慮到光刻機有那么多零部件，它們不能同時壞，ASML還開發了一個預測性的算法，能大概判斷什么時候哪個零件該壞了……但就是這樣，它也必須派人在現場盯著，隨時維修。

現在你應該明白，為什么說光刻機是人類有史以來最復雜的機器，而生產高端芯片又是難度多么驚人的業務了。

（摘自“得到”App）