关于后来者能不能造出光刻机和先进芯片,业界盛传比亚迪董事长王传福的一个说法:“这些是人造的,不是神造的。”
最赞成王传福的可能包括光刻机巨头 ASML 总部的人。跟踪 ASML 超过十年的荷兰记者马克·希金克(Marc Hijink)对我们说,“我在 ASML 问这个问题,他们总说,自然力量在北京与荷兰是一样的。没有任何物理定律阻止其他人制造类似的机器”。
现在全球卖出的光刻机有九成来自 ASML。其独家的 EUV 极紫外光刻机几乎是生产先进芯片的唯一选择,一台卖两三亿美元,可以称得上欧洲最贵的奢侈品。ASML 的市值也在今年首次超过奢侈品巨头,路易威登的母公司 LVMH。
上周,ASML 创始人维姆·特罗斯特(Wim Troost)去世,享年 98 岁。40 年前,是特罗斯特费尽全力,飞利浦才没有彻底砍掉亏损的光刻机业务,愿意让他们独立创业。ASML 成立之时,特罗斯特已经年近六旬。第一批员工也是在飞利浦承诺失败后回来工作,才同意加入。这不是今天风险投资人看得上的创业团队。
多年采访后,希金克相信最终还是一种敢于冒险的基因和极致专注让 ASML 走到今天。“如果一件事没被证明是不可能的,他们就会觉得自己或许可以做”,他在与我们的视频对话中说道。
去年底,希金克的新书《专注:ASML 之道》(Focus:The ASML Way,中文版译名未定,将于今年 10 月发布)以荷兰语出版。此前的 ASML 传记《光刻巨人》只讲到 1996 年,当时 ASML 还不是尖端芯片的唯一选择。
希金克的《专注》补全了 ASML 千禧年之后的成长史,在管理层的支持下,得以一种更整体的视角,呈现 ASML 如何用 40 年从初创公司发展成行业垄断者:一个前景存疑的小公司,在创业之初就选择最难的技术路线,并且持续 40 年专注在一个目标,最终成为当代最尖端技术的制造商,造出的机器可以在硅片上刻出只有新冠病毒几分之一大小的电子元件。
此时飞利浦已投入光刻机研发十多年,发明出了业内领先的对准系统和独一无二的电动晶圆台,但在和其他十家厂商激烈竞争中不占优势,始终没有订单。
赶上日本家电横扫欧美市场,时任飞利浦 CEO 明确要求尽快结束包括光刻机在内 “所有不赚钱的爱好”——要么出售,要么合资。
当时担任飞利浦科学与工业部(S&I)董事的特罗斯特是公司上下少有力挺光刻机研发的人。科学与工业部的一些项目为飞利浦带来了非常可观的利润,在财务上相对独立。飞利浦不愿意继续投钱,特罗斯特一度绕过集团高层,动用部门小金库支持光刻机研发。
ASML 首批员工则大多因为飞利浦工会答应的丰厚养老金和几年后可以返回飞利浦的承诺,才不情愿地到被飞利浦拆出、很可能 “买杯咖啡就会破产” 的新公司上班。
光刻机当时不是特别赚钱的生意,甚至芯片对世界的影响也才刚刚开始。很难讲特罗斯特比集团管理层乃至整个业界看得更远。但也许就是一些直觉、几分固执加上足够的话语权,让他几乎以一己之力拯救了这个危在旦夕的前沿项目。
没有芯片从业经验的特罗斯特接手光刻机项目后,很快开始寻找合资对象。在跟美国同行 Cobilt、Perkin-Elmer 和 Varian 的谈判接连碰壁后,他和一家当时同样没什么名气的荷兰芯片设备公司 ASM 国际合作。按照双方的合资协议,飞利浦和 ASM 国际按 50:50 的股权比例各自注资 210 万美元。
当时年营收超过 140 亿美元、研发投入超过 12 亿美元的飞利浦,只愿意为这个合资项目拿 30 万美元现金,余下的靠 17 台滞销的 PAS 2000 抵账。据特罗斯特估算,即使加上抵账的机器,420 万美元还不够新机器研发成本的 1/10。为此他让自己的 S&I 部门依旧承担了新公司最初的大部分采购成本。
保住项目只是开始。新公司没有订单,市场份额为零,连名字都不好听——它一开始的简称是 ALS,也是渐冻症(Amyotrophic Lateral Sclerosis)的缩写。后知后觉的管理层到 1996 年才将公司改名为 ASML。
ASML 在创业之初就遇到行业周期性疲软,但反倒帮了它。1985 年,全球芯片市场低迷,芯片制造商们削减了设备采购订单,这让需要提前数个季度采购和生产的头部光刻机厂商遇到库存和现金流挑战,削减甚至搁置新产品研发投入。
没有订单和庞大团队的 ASML 没有这些包袱。希金克告诉我们,经济危机帮助 ASML 在激烈竞争市场里凿开条缝隙,“没什么可以失去” 的文化让他们更勇敢地面对风险。
ASML 首任 CEO 贾特·斯密特(Gjalt Smit)了解到芯片制造商们希望两年后开始生产超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI),这需要能够投射约一微米精度光线的光刻机,超出了当时所有光刻机的极限。如果 ASML 能在两年内造出这样革命性的新产品,就能抓住新的芯片周期。缺钱、缺时间、缺名气的他们选了条最难的路。
想要快速拼完一整套有数千个零部件的乐高,最好的方法是找几个朋友一起拼。ASML 提高光刻机研发效率的方式也差不多,工程师们从设计阶段开始,就将光刻机拆分为 5 个模块,由不同的专业团队并行研发,最后再将独立的模块组装成完整的系统。
但是光刻机只有在全部组装完成后,才会暴露问题,而且为了找出症因,每个模块得挨个测试,非常耗时。项目负责人理查德·乔治(Richard George)想出解决方案,同时开发 5 个原型机器,每个团队独立测试不同的模块,进一步将测试和组装的周期从两年半缩短到半年。
最终,ASML 做出代号为 PAS 2500 的光刻机,也是全球第一台模块化光刻机。得益于模块化设计,工程师可以在安装和使用过程中快速关闭或者更换镜头、光源以及其他重要模块,为晶圆厂节省大量资金。这样的灵活性让 PAS 2500 在发布 30 多年后,仍然在一些晶圆厂的产线上 7*24 小时不间断工作。
ASML 面临的另一个挑战是它缺乏先进生产工艺,竞争对手尼康和佳能都有当时顶尖的光学镜头生产线。仅靠自己,ASML 造不出光刻机这样的复杂机器。它必须集结所有脑力、资金和灵巧的手。
斯密特热爱航空,大学时主修航天工程、爱好之一是开滑翔机,还曾在 NASA 和欧洲航天局工作。他觉得可以借鉴飞机制造商,把零部件生产外包出去,将全部精力集中在复杂的机器设计上。
但当时的 ASML 自己都没有订单,而且一上来就要最高规格的工艺,很多零部件甚至需要定制,供应商们很难被说服。比如 ASML 和德国镜头商蔡司的合作就很坎坷——已经在为当时头部光刻机公司 GCA 供货的蔡司看不上 ASML。
也是因为芯片下行周期,其他客户取消订单让 ASML 有机会分到蔡司的产能。合作中,ASML 帮助蔡司发现了镜头漂移问题,进而打开了后续合作的窗口。2007 年,二者签订了一份分担风险和利润的新合同,芯片市场经常发生剧烈动荡,ASML 同意预支 1/3 的镜头订金,减少蔡司提前购买原材料的风险。
由于光刻机的出货量很少,ASML 的每个核心零部件可以只选择一家供应商,并通过独供协议绑定双方利益。这样的合作关系一直维系至今。
截至 2023 年,ASML 一共注册了超过 16000 项专利,其中许多都是与它的 5100 家供应商合作开发的,蔡司是当中最重要的合作伙伴。蔡司前 CEO 赫尔曼·格林格(Hermann Gerlinger)形容两家公司是机器和光学的终极结合,“ASML 向我们透露了所有的秘密,我们也向它们分享了一切”。