1984年4月1日,47名飛利浦員工被選中,不情愿地轉(zhuǎn)進(jìn)新的合資子公司ASML,他們將在幾間靠近垃圾堆的狹小簡(jiǎn)易房中辦公、開(kāi)發(fā)光刻機(jī)。這個(gè)意志消沉的初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)可能不會(huì)想到,30多年后,ASML將成為全球最大的光刻機(jī)制造商,市值遠(yuǎn)超原來(lái)的母公司飛利浦。
這家荷蘭最大的出口商、荷蘭最大的技術(shù)雇主和世界最大的芯片設(shè)備制造商,后來(lái)搬到了人口不到30萬(wàn)的荷蘭南部城市維爾德霍芬,并在此持續(xù)影響整個(gè)IT行業(yè)的發(fā)展速度。
說(shuō)光刻技術(shù)影響了整個(gè)IT行業(yè)的發(fā)展速度,這不是故作驚人之語(yǔ)。
回到原點(diǎn)來(lái)看,整個(gè)數(shù)字世界本質(zhì)上就是無(wú)數(shù)的0和1。比如iPhone上的每一個(gè)APP、每一張照片和每一段短視頻,所有這些最終都是由1和0組成的海量字符串。這些數(shù)字都要經(jīng)過(guò)芯片,而芯片是由幾百萬(wàn)個(gè)甚至幾十億個(gè)晶體管組成的網(wǎng)絡(luò),每個(gè)晶體管都是一個(gè)電子開(kāi)關(guān),通過(guò)電流開(kāi)(1)或關(guān)(0)來(lái)處理和存儲(chǔ)這兩個(gè)數(shù)字。用手機(jī)點(diǎn)外賣、發(fā)朋友圈、打游戲,本質(zhì)上是手機(jī)里的芯片,還有互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器里的芯片,在同時(shí)處理無(wú)數(shù)的0和1。
計(jì)算機(jī)的算力強(qiáng)弱,就看其內(nèi)部大量“開(kāi)關(guān)”對(duì)0和1的處理能力。
1945年最先進(jìn)的計(jì)算機(jī),是賓夕法尼亞大學(xué)為美國(guó)陸軍建造的“埃尼阿克”(ENIAC),有18000個(gè)真空管當(dāng)“開(kāi)關(guān)”,用于計(jì)算炮彈軌跡,每秒可以計(jì)算數(shù)百個(gè)乘法,體積龐大,占據(jù)了整個(gè)房間。此后科學(xué)家找到了更小、更快、更便宜的“開(kāi)關(guān)”——晶體管。到1969年7月,將阿波羅11號(hào)帶上月球的計(jì)算機(jī)使用仙童公司(Fairchild)的芯片,占據(jù)了大約1立方英尺的空間,是“埃尼阿克”的千分之一。
1961年,仙童發(fā)布第一款芯片,其中只嵌入了4個(gè)晶體管而已,但很快,該公司就設(shè)計(jì)出了在芯片上放置十幾個(gè)晶體管的方法,然后是100個(gè)……仙童聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年發(fā)現(xiàn),隨著工程師們學(xué)會(huì)制造越來(lái)越小的晶體管,每個(gè)芯片上可安放的元器件數(shù)量每年都會(huì)翻倍。這一對(duì)芯片計(jì)算能力指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的預(yù)測(cè),就是著名的“摩爾定律”,摩爾由此預(yù)測(cè)了在1965年看似瘋狂的“未來(lái)產(chǎn)品”,比如“電子手表”“家用電腦”,甚至“個(gè)人便攜式通信設(shè)備”。
摩爾定律幾乎成了接下來(lái)半個(gè)多世紀(jì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的路線圖。到2020年,每臺(tái)iPhone 12上的A14處理器芯片都集成了118億個(gè)微型晶體管。人人可以購(gòu)買的手機(jī),計(jì)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)年美國(guó)陸軍的“埃尼阿克”。
更強(qiáng)大的計(jì)算能力,卻只需要更低的運(yùn)算成本,關(guān)鍵就在更小的“開(kāi)關(guān)”(晶體管),還有集成晶體管數(shù)量更多的芯片,這就是摩爾定律的魅力。
而維持摩爾定律的關(guān)鍵,就在光刻機(jī)。
在芯片制造的幾百道工序里,光刻是最重要的步驟。一塊芯片在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中需要光刻二三十次,耗時(shí)占生產(chǎn)過(guò)程的一半,成本能占到三分之一。
說(shuō)光刻機(jī)影響了世界計(jì)算機(jī)的算力和信息的存儲(chǔ)容量并不為過(guò),考慮到芯片在現(xiàn)代國(guó)防軍事上的廣泛應(yīng)用——美國(guó)芯片行業(yè)最早的訂單即來(lái)自NASA和美國(guó)空軍,用來(lái)引導(dǎo)火箭和導(dǎo)彈——對(duì)先進(jìn)光刻技術(shù)的追求甚至超出了產(chǎn)業(yè)鏈安全的范疇,成為大國(guó)博弈和地緣政治波動(dòng)的一個(gè)焦點(diǎn)。
但當(dāng)ASML首任CEO賈特·斯密特赴任時(shí),這家公司離聚光燈還很遠(yuǎn),甚至可以說(shuō)是個(gè)爛攤子。
斯密特在加入ASML之前,在電信巨頭美國(guó)國(guó)際電話電報(bào)公司(ITT)擔(dān)任荷蘭辦事處的銷售經(jīng)理,他發(fā)現(xiàn),該公司電信業(yè)務(wù)的利潤(rùn)顯然正在螺旋式下降,很快就要見(jiàn)底。但在他接受該公司CEO職位之后,ITT的同事首先質(zhì)疑了他的職業(yè)規(guī)劃,同時(shí)他還聽(tīng)到了一些著名分析師的說(shuō)法:ASM和飛利浦的合資企業(yè)注定以失敗告終。
這種說(shuō)法并非空穴來(lái)風(fēng),在某種程度上,ASML是飛利浦為擺脫其一直燒錢的光刻機(jī)項(xiàng)目而成立的合資子公司,而合資方ASM并非飛利浦的首選,而是“將就”抓到的最后一根稻草。
光刻機(jī)的工作原理,或者說(shuō)現(xiàn)代芯片制作的基本原理本身并不難懂,這個(gè)過(guò)程大致包括:(1)畫(huà)出線路圖;(2)把線路圖刻到玻璃板上,制成掩膜(也叫光罩);(3)把掩膜上的線路圖用強(qiáng)光投射到涂了光刻膠的硅片(晶圓)上,光刻膠被強(qiáng)光照射的部分變得可以溶解,這樣就在硅片上曝光出了線路圖;(4)對(duì)硅片上的線路圖多次使用刻蝕、擴(kuò)散、沉積等工藝做出復(fù)雜的晶體管和電路網(wǎng)絡(luò)。
自德州儀器(TI)的杰伊·萊思羅普發(fā)明光刻技術(shù)以來(lái),光刻機(jī)和芯片制造的基本原理沒(méi)有太多改變。但隨著制程(可粗略理解為芯片上晶體管的密集程度)的發(fā)展,光刻技術(shù)的研發(fā)和實(shí)現(xiàn)成本越來(lái)越高。
以目前僅有ASML能制造的EUV(極紫外光)光刻機(jī)為例,先看光源,在萊思羅普發(fā)明光刻技術(shù)的時(shí)候,只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的燈泡,但當(dāng)發(fā)展到EUV階段的時(shí)候,光源的復(fù)雜度已暴增到令人難以置信的高溫——為了產(chǎn)生足夠的EUV,需要用激光粉碎一個(gè)小錫球。已經(jīng)被ASML收購(gòu)的西盟(Cymer)自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直是光刻光源領(lǐng)域的主要參與者,該公司由加州大學(xué)圣地亞哥分校的兩位激光專家創(chuàng)立。西盟的工程師發(fā)現(xiàn)最佳做法是發(fā)射一個(gè)直徑為三千萬(wàn)分之一米的小錫球,使它以時(shí)速約200英里的速度穿過(guò)真空。 然后以激光照射那顆錫球兩次,第一次是加熱它,第二次是以太陽(yáng)表面溫度好幾倍的高溫把它轟擊成電漿體。這種轟擊錫滴的過(guò)程,每秒重復(fù)5萬(wàn)次,就能產(chǎn)生制造芯片所需的EUV量。
再看鏡頭,起初萊思羅普只用把普通顯微鏡顛倒過(guò)來(lái)即可,但到了EUV階段,對(duì)反射鏡的工藝精度要求極高,直徑30厘米的反射鏡要求起伏不到0.3納米,這相當(dāng)于是做一條從北京到上海的鐵軌,要求起伏不超過(guò)1毫米?;蛘哂肁SML現(xiàn)任CEO韋尼克的話來(lái)說(shuō):“如果反射鏡面積有整個(gè)德國(guó)大,最高的突起處不能高于1厘米?!?/p>
再看機(jī)臺(tái),光刻機(jī)一次曝光的區(qū)域,只有指甲那么大,一塊直徑12英寸的晶圓全部曝光一遍,要移動(dòng)好幾百次。如今的光刻機(jī)每次移動(dòng)的定位,要精確到幾十納米,相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的幾萬(wàn)分之一。如果兩輛車以每小時(shí)3萬(wàn)公里的速度并行,兩者差值必須小于0.5毫米,才能達(dá)到與光刻機(jī)一樣的精度。
芯片行業(yè)時(shí)間就是金錢,滯銷的過(guò)時(shí)產(chǎn)品價(jià)格斷崖下跌很普遍。所以,光刻機(jī)必須24小時(shí)連續(xù)工作,全年停機(jī)時(shí)間不超過(guò)3%。讓如此精密又復(fù)雜的機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作,是工程學(xué)上的巨大挑戰(zhàn)。
即便回到ASML剛成立的1984年,光刻機(jī)的研發(fā)也耗資巨大,因?yàn)檫t遲不能盈利,連財(cái)大氣粗的飛利浦也準(zhǔn)備取消這一“非核心業(yè)務(wù)”,如果出售行不通,合資也行。其實(shí)如果當(dāng)時(shí)飛利浦光刻機(jī)項(xiàng)目的決定人特羅斯特(此人后來(lái)曾短暫擔(dān)任ASML CEO)不動(dòng)用只有他掌握的隱藏儲(chǔ)備金,飛利浦光刻機(jī)項(xiàng)目可能會(huì)更早停止。飛利浦的財(cái)務(wù)主管們之所以容忍特羅斯特的這種特權(quán),是因?yàn)樗麄兌家蕾囂亓_斯特的其他項(xiàng)目為公司創(chuàng)造的業(yè)績(jī)。
本來(lái)當(dāng)時(shí)美國(guó)的光刻機(jī)巨頭Perkin-Elmer已經(jīng)對(duì)和飛利浦合作表示興趣,該公司已經(jīng)在全球賣出了數(shù)千臺(tái)Micralign光刻機(jī)。英特爾1978年6月推出了著名的8086處理器,就是用Micralign制造。在20世紀(jì)70年代末,Perkin-Elmer擁有90%的光刻市場(chǎng)份額,幾乎和最頂尖芯片制造者都有往來(lái):從大學(xué)到IBM、英特爾和NEC等巨頭。
Perkin-Elmer擁有巨大的市場(chǎng)份額、強(qiáng)大的客戶群和全球范圍內(nèi)的機(jī)器銷售渠道,它似乎是幫助飛利浦在光刻機(jī)市場(chǎng)擺脫困境的理想選擇。但飛利浦卻因?yàn)槲茨芗皶r(shí)決策和給出回應(yīng),拖黃了這次絕佳的機(jī)會(huì)。
在和另外幾家潛在合作對(duì)象談判失敗后,飛利浦只剩下和ASM合作一條路了。
ASM的CEO阿瑟·德?tīng)枴て绽嗄贻p時(shí)曾在哈佛商學(xué)院學(xué)習(xí),在美期間被硅谷計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)的樂(lè)觀和野心打動(dòng)。荷蘭一份著名的報(bào)紙后來(lái)引用他的話說(shuō):德?tīng)枴て绽喾祷睾商m時(shí),一手拿著晶圓,一手拿著500美元。他將自己的公司命名為先進(jìn)半導(dǎo)體材料公司(ASM)。
普拉多干得很成功,ASM于1981年成為第一家在納斯達(dá)克上市的荷蘭公司。1978年,公司收入1400萬(wàn)美元;到1983年,收入又增長(zhǎng)了6倍。而同期的飛利浦和Elcoma的芯片廠卻裁員數(shù)千人。在普拉多看來(lái),他已經(jīng)能夠造出除光刻機(jī)外的幾乎所有芯片生產(chǎn)設(shè)備,只要加上光刻機(jī),他就可以成為一站式的芯片設(shè)備供應(yīng)商。
但對(duì)ASM的熱情,飛利浦卻很冷淡,原因首先是ASM的規(guī)模不夠,1980年,ASM的收入才3700萬(wàn)美元。而據(jù)飛利浦方面計(jì)算,僅新一代步進(jìn)光刻機(jī)的研發(fā)費(fèi)用就將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)5000萬(wàn)美元;其次,與光刻機(jī)所需的先進(jìn)技術(shù)相比,ASM制造線焊機(jī)所需的專業(yè)技術(shù)簡(jiǎn)直不值一提,飛利浦認(rèn)為普拉多對(duì)光刻機(jī)的復(fù)雜性估計(jì)不足;最后,光刻機(jī)的銷售與其他芯片生產(chǎn)設(shè)備不同,其他芯片生產(chǎn)設(shè)備的采購(gòu),經(jīng)理層就能定,而光刻機(jī)的銷售只有董事會(huì)才能決策,所以ASM的銷售渠道對(duì)光刻機(jī)也沒(méi)有幫助。
但為了拯救光刻機(jī)項(xiàng)目,飛利浦方面最終主動(dòng)聯(lián)系了ASM。會(huì)議只持續(xù)了一個(gè)多小時(shí),刨除普拉多離席與團(tuán)隊(duì)商量的時(shí)間,雙方交談的時(shí)間不到15分鐘,ASM即決定與飛利浦合作。光刻機(jī)業(yè)務(wù)符合普拉多的雄心壯志。ASM制造了芯片生產(chǎn)過(guò)程中每一道工序需使用的機(jī)器,但對(duì)最具戰(zhàn)略性的光刻機(jī),他此前卻未涉及。
最終,雙方合作設(shè)立50∶50的合資公司,即ASML。ASM出資210萬(wàn)美元,飛利浦則把在光刻機(jī)項(xiàng)目上庫(kù)存的17套光刻機(jī)零部件等折價(jià)180萬(wàn)美元,再加30萬(wàn)美元現(xiàn)金作為出資。
雖然接下來(lái)普拉多和ASM沒(méi)能熬過(guò)ASML光刻機(jī)的“燒錢機(jī)器”時(shí)期,幾乎在“印錢機(jī)器”時(shí)期前夜撤資出局,累計(jì)3500萬(wàn)美元的投資打了水漂,但他確實(shí)在關(guān)鍵時(shí)刻出手,讓飛利浦的光刻機(jī)技術(shù)免于被埋沒(méi),也促成了ASML的誕生。
對(duì)斯密特而言,擔(dān)任ASML的CEO頗有些“重聚”的意味。
他曾在代爾夫特理工大學(xué)學(xué)習(xí)航空工程,后獲得NASA的獎(jiǎng)學(xué)金進(jìn)入馬里蘭大學(xué)學(xué)習(xí)。為歐洲空間研究組織(現(xiàn)為歐洲航天局)工作時(shí),他曾寫過(guò)一本70頁(yè)厚的小冊(cè)子,分析地球磁場(chǎng)中的非線性太陽(yáng)風(fēng)流。他的研究證實(shí)并解釋了NASA第一顆衛(wèi)星當(dāng)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)。
后來(lái)他在1969年加入飛利浦,因?yàn)槭懿涣斯緝?nèi)部的官僚主義,一年后他選擇了離開(kāi)。
在與ASML員工的初次見(jiàn)面會(huì)后,斯密特立即聯(lián)系了他在飛利浦的前同事,他們認(rèn)為斯密特真是瘋了才會(huì)接這么一個(gè)“燙手山芋”。
先看團(tuán)隊(duì),被飛利浦調(diào)到合資企業(yè)ASML的工程師處境尷尬——他們成了光刻市場(chǎng)的笑話,沒(méi)有人相信他們能成功。ASML的員工甚至把新公司看作是“杠桿剝離”,與“杠桿收購(gòu)”相對(duì)應(yīng)——因?yàn)槠飘a(chǎn)而分拆企業(yè)。他們都認(rèn)為飛利浦只是想擺脫不必要的負(fù)擔(dān)。
再看既有產(chǎn)品,飛利浦16臺(tái)即將生產(chǎn)出來(lái)的PAS 2000光刻機(jī)也移交給了ASML。這些光刻機(jī)采用油壓工作臺(tái),需要配合的動(dòng)力單元比機(jī)器本身還要大,這又產(chǎn)生了震動(dòng)和噪音的問(wèn)題,而且還有油污的風(fēng)險(xiǎn)。PAS 2000的光學(xué)部件來(lái)自法國(guó),精度不夠。有這些硬傷的光刻機(jī)很難賣出去。
最后看市場(chǎng)情況,就在ASML成立的時(shí)候,當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者GCA已交付數(shù)百臺(tái)光刻機(jī),亞軍尼康也正在快速占領(lǐng)市場(chǎng)。ASML的市場(chǎng)份額是多少呢?零。
但在和團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)時(shí)間談話后,斯密特心中的迷霧開(kāi)始消散,飛利浦光刻技術(shù)中的許多元素在當(dāng)時(shí)仍然領(lǐng)先,其對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)精確疊加芯片圖案的技術(shù)非常先進(jìn),而且飛利浦的Natlab實(shí)際已經(jīng)開(kāi)發(fā)了替代油壓工作臺(tái)的電動(dòng)晶圓臺(tái),這是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)時(shí),Natlab是世界的傳奇,節(jié)能燈泡、便攜式X光機(jī)、旋轉(zhuǎn)剃須系統(tǒng)、錄像機(jī)都出自該實(shí)驗(yàn)室。為在合資過(guò)程中保護(hù)自己的利益,飛利浦和ASM簽訂的合同十分苛刻,其中包括ASML每年向Natlab支付收入的1.5%作為研發(fā)費(fèi)用,但ASML也有機(jī)會(huì)從Natlab獲得推進(jìn)光刻機(jī)開(kāi)發(fā)所需的一切技術(shù)。
斯密特認(rèn)為最終決定ASML命運(yùn)的,還是客戶。他在1984年5月底飛到加利福尼亞州圣馬特奧參加SEMICON West展會(huì),拜訪硅谷的那些芯片制造商們,卻迎來(lái)當(dāng)頭一棒。
美國(guó)芯片制造商告訴斯密特,裝機(jī)量(在客戶工廠中運(yùn)行的機(jī)器數(shù)量)本身很關(guān)鍵。光刻機(jī)如此復(fù)雜,會(huì)因?yàn)闃O小的因素就宕機(jī),芯片廠希望將停機(jī)時(shí)間保持在最低水平,所以售后服務(wù)至關(guān)重要。最多的時(shí)候,GCA有數(shù)百名服務(wù)工程師在現(xiàn)場(chǎng)工作。ASML還沒(méi)有售出機(jī)器,也沒(méi)有服務(wù)部門,毫無(wú)芯片生產(chǎn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),而GCA和尼康已經(jīng)擁有數(shù)百臺(tái)裝機(jī)量。
但這次展會(huì)上的行業(yè)脈動(dòng)又給了斯密特希望,芯片行業(yè)都在盡力維持摩爾定律的效力,而從大規(guī)模集成電路(LSI)到超大規(guī)模集成電路(VLSI)需要新一代光刻機(jī)。芯片線路將縮小到1/1000毫米以下,光刻機(jī)處理的將不再是4英寸的晶圓,而是6英寸的晶圓。這一轉(zhuǎn)變將在今后兩年內(nèi)發(fā)生。新一代光刻機(jī)要將0.7微米的細(xì)節(jié)成像到晶圓上,并實(shí)現(xiàn)更緊密的微電子集成。而斯密特在展會(huì)上明確得知:還沒(méi)有人找到這種芯片的光刻解決方案。佳能、GCA、尼康和Perkin-Elmer公司制造的機(jī)器仍然使用導(dǎo)程螺絲桿來(lái)移動(dòng)晶圓臺(tái),他們的圖像細(xì)節(jié)達(dá)不到小于1微米的定位精度,而這正是ASML技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。
作為一名航空狂熱者,斯密特研究過(guò)航空業(yè)的整合,從他還在上大學(xué)到他拿到博士學(xué)位,世界上的飛機(jī)制造廠從50家減少到只剩下幾家。在ITT任職期間,斯密特還親歷了電信業(yè)的變革。他知道新廠商在成熟市場(chǎng)沒(méi)有機(jī)會(huì),除非可以取得重大的技術(shù)突破。
現(xiàn)在,斯密特和ASML有兩個(gè)選擇:要么在開(kāi)業(yè)前就關(guān)門;要么在兩年后交付一臺(tái)成熟的VLSI光刻機(jī),征服市場(chǎng)。
斯密特在激勵(lì)團(tuán)隊(duì)時(shí)會(huì)用體育作類比。如果按照他這個(gè)表達(dá)方式,接下來(lái)ASML要做的事和籃球場(chǎng)上的“跑轟”戰(zhàn)術(shù)相似——把球搶到手、快速推進(jìn)至對(duì)方半場(chǎng)、把球投進(jìn)去,ASML需要找來(lái)足夠的錢,在短時(shí)間內(nèi)把機(jī)器造出來(lái),最后把機(jī)器賣出去。
但在飛利浦,新一代機(jī)器可能需要10年時(shí)間才能制造出來(lái),ASML卻只有兩年,他們的工程師必須打破傳統(tǒng)的研發(fā)模式,解決方案是把機(jī)器拆分為各個(gè)模塊,專業(yè)團(tuán)隊(duì)將并行開(kāi)發(fā)每個(gè)模塊。真正的問(wèn)題在最后的組裝階段,傳統(tǒng)方法是逐個(gè)測(cè)試所有子系統(tǒng),如果某個(gè)子系統(tǒng)出問(wèn)題,其他子系統(tǒng)只能干等著。ASML只有同時(shí)構(gòu)建5個(gè)原型,5個(gè)團(tuán)隊(duì)并行工作,才能將測(cè)試和組裝階段的時(shí)長(zhǎng)從兩年半縮短到6個(gè)月。在高峰時(shí)期,他們需要250名工程師同時(shí)工作。
工程師團(tuán)隊(duì)為此給出了1億美元的報(bào)價(jià),而且認(rèn)為斯密特絕不可能讓董事會(huì)接受。斯密特卻并不驚慌,在ITT,他處理過(guò)更大數(shù)額的投資。在腦海里排練了8天之后,斯密特把這個(gè)天價(jià)預(yù)算提交給了董事會(huì),他的演講激情洋溢,講述了自己在展會(huì)上看到的危機(jī)和機(jī)會(huì),他認(rèn)為光刻機(jī)行業(yè)將重復(fù)航空和電信領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)律,新一代設(shè)備的研發(fā)投資是上一代設(shè)備的10倍,每一輪都會(huì)有廠商被淘汰?,F(xiàn)在有大約10家公司正在爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額,最后只會(huì)剩下幾家而已。
“因此,我們至少要進(jìn)入前三名?!彼姑芴亟忉尩?,“要進(jìn)入前三名,就只有一個(gè)辦法——將投資做到行業(yè)榜首。我們必須去爭(zhēng)取金牌,第三名都是不夠的,我們必須爭(zhēng)取第一名。我們獲勝的唯一機(jī)會(huì)是制定積極進(jìn)取、創(chuàng)新、集中的戰(zhàn)略。不可避免的洗牌顯示了市場(chǎng)的殘酷。如果我們幸運(yùn),我們最終會(huì)登上頂峰;如果我們不太成功,我們將最終排在第三名;如果我們運(yùn)氣不好,我們會(huì)以第六名的成績(jī)出局。但是,如果我們對(duì)排名第三或第六感到滿意,那么我們最好現(xiàn)在就收手別干了。我們必須把目標(biāo)定在頂峰,沒(méi)有其他選擇。這是我們唯一的生存機(jī)會(huì)?!?/p>
斯密特留給董事會(huì)的選擇是:付錢,或讓ASML倒閉。
董事會(huì)暫時(shí)的答復(fù)是“可以”,飛利浦和ASM決定各增加150萬(wàn)美元投資。董事會(huì)希望斯密特自己去找投資并制訂更詳細(xì)的計(jì)劃,現(xiàn)在他可以推動(dòng)團(tuán)隊(duì)造機(jī)器了。他們將新產(chǎn)品的名字定為PAS 2500,計(jì)劃在1986年的SEMICON West展會(huì)上展示該機(jī)器。
斯密特給ASML注入了一種完全不同于飛利浦的“非正式文化”,為激勵(lì)最初士氣低迷的團(tuán)隊(duì),他甚至?xí)iT請(qǐng)人制作卡通幻燈片,這對(duì)此前在飛利浦工作的工程師完全是新鮮事。
為快速招募大量工程師,ASML打出的第一則招聘廣告,上面ASM和飛利浦的標(biāo)識(shí)十分醒目,讓人以為在ASML工作就是在飛利浦工作。這讓斯密特受到了飛利浦的責(zé)罵,但他假裝自己不知道不該如此。廣告中還說(shuō),不需要回信發(fā)簡(jiǎn)歷。有興趣申請(qǐng)的人可以在晚上6點(diǎn)到10點(diǎn)之間打電話聯(lián)系。這種做法在那個(gè)時(shí)代非常特別,其實(shí)ASML在電話里就開(kāi)始了第一輪淘汰。糟糕的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)使得荷蘭國(guó)內(nèi)有許多待就業(yè)的工程師,廣告吸引了大約300名申請(qǐng)人。
ASML的生產(chǎn)方式也和飛利浦完全不同,為了追求研發(fā)速度和出貨臺(tái)數(shù),自己制造一切是不可能的,因此盡可能外包是公司的關(guān)鍵戰(zhàn)略之一。ASML在最初成立的幾個(gè)月里,就確定了公司的定位:一家只進(jìn)行研發(fā)和組裝的公司。這在那時(shí)是聞所未聞的。
因?yàn)轱w利浦的部分子公司不能按時(shí)交貨,ASML往往不得不另尋供應(yīng)商,在20世紀(jì)80年代后期,一些細(xì)分領(lǐng)域的小供應(yīng)商能接到像ASML這種規(guī)模的訂單就足以維持運(yùn)營(yíng)。ASML著名的外包生態(tài)系統(tǒng)的種子是在那些年種下的。
為了管理龐大的供應(yīng)鏈和生產(chǎn)流程,ASML要求開(kāi)發(fā)人員在生產(chǎn)的早期就參與進(jìn)來(lái),讓他們選擇零部件。每一次調(diào)整,包括對(duì)每一個(gè)螺絲和螺母的調(diào)整,研發(fā)人員都必須如實(shí)地記錄在物流系統(tǒng)中。這樣既能讓供應(yīng)商在備貨時(shí)更明確,又能讓ASML更好掌握各部件的到貨進(jìn)度。為了引導(dǎo)一萬(wàn)個(gè)零件從河流匯入大海,ASML甚至在成立初期就花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元,從施樂(lè)公司購(gòu)買物流和供應(yīng)鏈系統(tǒng),還為此雇用了一名全職員工來(lái)監(jiān)督該系統(tǒng)的信息錄入。
此時(shí)經(jīng)濟(jì)衰退的最初跡象已經(jīng)顯露,芯片制造商越來(lái)越謹(jǐn)慎。因此斯密特希望客戶能夠盡快開(kāi)始試用機(jī)器,而不是等兩年后的PAS 2500。
于是ASML團(tuán)隊(duì)6個(gè)月就造出了過(guò)渡機(jī)器PAS 2400,是在PAS 2000基礎(chǔ)上,把液壓機(jī)臺(tái)換成了Natlab的電動(dòng)機(jī)臺(tái)。在這個(gè)過(guò)程中,以創(chuàng)業(yè)公司節(jié)奏趕工的ASML工程師不得不和飛利浦的節(jié)奏斗爭(zhēng)。如果ASML工程師在周五下午打電話詢問(wèn)零件,飛利浦那邊就會(huì)說(shuō):“不可能在周末之前把零件拿出來(lái),因?yàn)楝F(xiàn)在快5點(diǎn)了。”飛利浦的員工從不加班。解決方法居然是:給他們一點(diǎn)現(xiàn)金,幾杯啤酒,一瓶或兩瓶葡萄酒。后來(lái)ASML工程師的后備箱總是裝滿了啤酒和葡萄酒,以便盡快從飛利浦提取訂購(gòu)的零件。此外,他們還時(shí)不時(shí)地用現(xiàn)金給工人一些加班費(fèi)。
在1985年的SEMICON West展會(huì)上,ASML的一位工程師對(duì)比了PAS 2400和展會(huì)冊(cè)子上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的機(jī)器,他熟悉的別家機(jī)器在演示中都出了問(wèn)題,維修時(shí)展臺(tái)經(jīng)常關(guān)閉,而PAS 2400幾乎一直在運(yùn)行。
為了趕工PAS 2500,ASML的一些員工會(huì)加班到深夜。ASML在維爾德霍芬租了一棟房子,離家遠(yuǎn)的工程師如果加班到深夜,可以直接睡在那里。為防所有的床都被占,他們都把睡袋放在汽車的后備廂里。
而原定1986年1月1日就該完成的PAS 2500,終于在1986年5月初趕上了參加當(dāng)年的SEMICON West展會(huì)。一位ASML工程師觀察了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的展位并進(jìn)行了一次簡(jiǎn)短的調(diào)查。他的第一個(gè)問(wèn)題:哪家擁有最好的光刻機(jī)?對(duì)手都回答:我們。下一個(gè)問(wèn)題:誰(shuí)家有第二好的機(jī)器?對(duì)手都回答:ASML。
在1986年年初,ASML迎來(lái)了它的第一位客戶,一家小型芯片制造商MMI購(gòu)買了PAS 2400。從那時(shí)起,ASML終于真正成為了一家擁有裝機(jī)量的新晉競(jìng)爭(zhēng)者。雖然PAS 2400只是一臺(tái)過(guò)渡機(jī)器,但MMI對(duì)這臺(tái)機(jī)器非常滿意,其生產(chǎn)負(fù)責(zé)人允許ASML在1986年年初投放的廣告中使用他的照片。
PAS 2500在1986年SEMICON West展會(huì)上的風(fēng)光也吸引了另一位客戶賽普拉斯,該公司CEO羅杰斯提出了相當(dāng)多的要求?!澳銈冇惺澜缟献詈玫臋C(jī)器?!绷_杰斯對(duì)斯密特說(shuō),“但如果機(jī)器搞砸了我的項(xiàng)目逼得我跳樓,我想確保你也一起跳。所以,你必須購(gòu)買我公司的一些股份?!?/p>
這種股權(quán)關(guān)系連接的利益共同體在芯片行業(yè)其實(shí)并不罕見(jiàn),比如為加強(qiáng)與關(guān)鍵供應(yīng)商蔡司的關(guān)系,后來(lái)ASML也入股了蔡司的半導(dǎo)體制造技術(shù)事業(yè)群(SMT)。
后來(lái)ASML的首席財(cái)務(wù)官設(shè)法和NMB銀行解決了股份購(gòu)買的資金,ASML也拿到了賽普拉斯的訂單。
但當(dāng)時(shí)斯密特最想得到的客戶是AMD。為此他不惜對(duì)AMD CEO 杰瑞·桑德斯公開(kāi)“喊話”。
在SEMICON West春季宴會(huì)上,桑德斯哀嘆美國(guó)芯片設(shè)備制造商的質(zhì)量和服務(wù)太差,不得不向日本購(gòu)買設(shè)備。于是斯密特就在行業(yè)期刊上登廣告,大字標(biāo)題:“我們聽(tīng)見(jiàn)了你的話,杰瑞。”廣告正文:“ASML光刻機(jī)接受杰瑞·桑德斯的可靠性挑戰(zhàn),保證提供90%的運(yùn)行時(shí)間,這幾乎是該行業(yè)現(xiàn)在的2倍。杰瑞,你甚至不用擔(dān)心圣安德里亞斯斷層的地震,我們這些機(jī)器是牢不可摧的。”
1986年秋天,AMD讓相關(guān)經(jīng)理提前準(zhǔn)備好購(gòu)買PAS 2500的文書(shū)。但在最后一刻,桑德斯沒(méi)有下單。當(dāng)時(shí)行業(yè)還在衰退期,他也沒(méi)資金了,他想等到市場(chǎng)復(fù)蘇更明朗再作決定。這筆取消的訂單占到當(dāng)時(shí)ASML一半的產(chǎn)能。
直到1987年6月1日,AMD才簽署了購(gòu)買25臺(tái)PAS 2500的合同。說(shuō)服AMD的不是斯密特,而是ASML在MMI的機(jī)器。AMD收購(gòu)MMI并清點(diǎn)庫(kù)存時(shí),發(fā)現(xiàn)Perkin-Elmer的機(jī)器在角落里落灰。而與此同時(shí)6臺(tái)PAS 2400在ASML服務(wù)工程師的支持下正在不斷地制造晶圓,這讓AMD最后對(duì)ASML說(shuō)“同意”。
同樣的故事在20世紀(jì)90年代初又重演了一次,三星在參觀ASML客戶美光(Micron)的工廠后主動(dòng)聯(lián)系了ASML,雙方在波折的談判后達(dá)成合作。
在20世紀(jì)80年代末,ASML獲得了兩個(gè)關(guān)鍵客戶。
首先是美光。ASML在協(xié)商后決定對(duì)其派駐一組服務(wù)人員,目標(biāo)是使PAS 2500滿足ASML承諾的所有規(guī)格,即提高每天的平均晶圓產(chǎn)量和縮短機(jī)器的最大停機(jī)時(shí)間。ASML還附加了一個(gè)條件:如果機(jī)器的性能得到改善,它將分享利潤(rùn)。在隨后的幾年里,美光穩(wěn)步增長(zhǎng),ASML從中獲益。在大多數(shù)美國(guó)公司已經(jīng)把內(nèi)存領(lǐng)域讓給日本人時(shí),美光仍堅(jiān)持生產(chǎn),如今已經(jīng)是全球最大的半導(dǎo)體儲(chǔ)存及影像產(chǎn)品制造商之一。
另一個(gè)是臺(tái)積電。1987年臺(tái)積電成立時(shí),飛利浦以芯片技術(shù)換取其27.5%的股份并獲得了5800萬(wàn)美元。臺(tái)積電也算是飛利浦的子公司,它充分利用了這個(gè)優(yōu)勢(shì),讓ASML的談判很艱難,臺(tái)積電拒絕為服務(wù)支付費(fèi)用,最后還向ASML發(fā)送了一份兩個(gè)拳頭厚的合約。
1988年年底,臺(tái)積電剛完成機(jī)器安裝工作就發(fā)來(lái)傳真:需要17臺(tái)新機(jī)器,因?yàn)楣S被燒了。這筆訂單在關(guān)鍵時(shí)期給ASML提供了喘息空間。在送回機(jī)器中,有幾臺(tái)只受到了很小的煙霧損害,很多機(jī)器很容易被修好。1989年,臺(tái)積電的保險(xiǎn)公司——最后真正掏錢的金主,成了ASML當(dāng)年最大的客戶。
但在ASML拿到AMD訂單之后不到4個(gè)月,斯密特就卸任了ASML CEO。從財(cái)務(wù)狀況上看,斯密特卸任時(shí)ASML比1984年成立時(shí)還要差,到1987年年底,這家公司已經(jīng)花費(fèi)了近5000萬(wàn)美元。計(jì)劃的銷售目標(biāo)沒(méi)有實(shí)現(xiàn),ASML不斷虧損。ASM和飛利浦的蜜月期已經(jīng)結(jié)束。但ASML已經(jīng)擁有一個(gè)充滿創(chuàng)造力且自力更生的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì),物流和大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)也趨于成熟。
斯密特被ASML的CFO吐槽為“花錢大王”,即便公司一直虧錢,斯密特對(duì)每日收費(fèi)700美元的外部咨詢顧問(wèn)還是照用不誤,甚至負(fù)擔(dān)顧問(wèn)同去美國(guó)的差旅費(fèi),這當(dāng)然會(huì)引發(fā)周圍人的不滿。但如果不是因?yàn)樗粗貦C(jī)會(huì)勝過(guò)成本,在行業(yè)衰退期間仍堅(jiān)持投資,開(kāi)場(chǎng)就向頂峰沖擊,ASML也不可能獲得此后在光刻機(jī)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。
現(xiàn)在用后視鏡看,從1984年至1987年,市場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的衰退其實(shí)反而給了ASML喘息空間,如果沒(méi)有衰退,佳能和尼康很可能占領(lǐng)整個(gè)市場(chǎng),因?yàn)锳SML和美國(guó)光刻機(jī)巨頭GCA的關(guān)鍵供應(yīng)商蔡司產(chǎn)能太差。即便有大訂單,ASML在1986年和1987年的產(chǎn)能也根本無(wú)法完成。衰退對(duì)佳能和尼康的影響比對(duì)ASML大得多。
1988年春天,ASML經(jīng)歷了將要發(fā)不出工資的至暗時(shí)刻,靠飛利浦一筆130萬(wàn)美元的轉(zhuǎn)賬才活過(guò)來(lái)。同一年,ASM為避免被ASML拖垮撤資,飛利浦承擔(dān)ASM在ASML中的股份與債務(wù)。
最終讓ASML扭虧的是PAS 5500,這臺(tái)機(jī)器實(shí)現(xiàn)了像樂(lè)高一樣的模塊化系統(tǒng),可以像模型套件一樣拆裝。就以前的光刻機(jī)而言,在不得不更換鏡頭時(shí),芯片制造商通常需要停產(chǎn)數(shù)周并花費(fèi)大量資金。
ASML為潛在的大客戶IBM準(zhǔn)備了一場(chǎng)組裝PAS 5500的“演出”,當(dāng)IBM方面因?yàn)閲?guó)際形勢(shì)不能飛到荷蘭看機(jī)器時(shí),ASML選擇錄好“演出視頻”去IBM,結(jié)果這臺(tái)設(shè)備的先進(jìn)程度讓IBM的人十分激動(dòng)。
1993年的前幾個(gè)月,資金開(kāi)始加速流入ASML。訂單量和交貨量齊升,最新的光刻機(jī)賣出了高得多的價(jià)格,服務(wù)和升級(jí)的收入也在增加。1992年,公司的年收入從8100萬(wàn)美元躍升至1.19億美元,ASML現(xiàn)在終于可以靠自己生存了。雖然那一年公司依舊虧損2000萬(wàn)美元,這主要是因?yàn)镻AS 5500誕生前的“陣痛”。PAS 5500使公司的現(xiàn)金流不斷增長(zhǎng)。在公司的歷史上,資金首次正向流入,而不是流出去。
ASML用支票償還了1992年5月飛利浦2100萬(wàn)美元的“輸血款”,一天后,飛利浦財(cái)務(wù)部門負(fù)責(zé)人打來(lái)電話,請(qǐng)ASML再也不要用支票支付這么大一筆錢了,這樣公司損失了兩天的利息。
1995年,ASML成功上市,不過(guò)不是在荷蘭,他們?cè)诼费輹r(shí)得到的反饋很冷淡,連養(yǎng)老金都不相信他們,他們只能轉(zhuǎn)向納斯達(dá)克。在美國(guó)上市,以及美資股東引入,可能是ASML后來(lái)能避開(kāi)一些地緣限制的原因。
等到1996年,ASML的一些員工開(kāi)始穿著印花T恤四處走動(dòng),T恤上面寫著:我們將打敗日本人。
浸入式光刻是ASML打敗尼康的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
20世紀(jì)90年代末,光刻光源被卡在193nm無(wú)法進(jìn)步,摩爾定律受阻,科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界提出了各種方案。
最后勝出的是一個(gè)工程上最簡(jiǎn)單的解決辦法,在晶圓光刻膠上方加1mm厚的水。水可以把193nm的光波長(zhǎng)折射成134nm。浸入式光刻成功翻越了157nm大關(guān),直接做到半周期65nm。加上后來(lái)不斷改進(jìn)的鏡頭、光刻膠,還有FinFET等技術(shù),浸入式193nm光刻機(jī)一直做到7nm制程(iPhone XS搭載的A12芯片就采用7nm制程)。ASML現(xiàn)任CEO韋尼克曾說(shuō):“iPhone能出現(xiàn),是因?yàn)榻胧焦饪碳夹g(shù)。”
2002年臺(tái)積電的林本堅(jiān)博士提出了浸入式193nm的方案,隨后ASML在一年的時(shí)間內(nèi)就開(kāi)發(fā)出樣機(jī)。而臺(tái)積電也成為了第一家實(shí)現(xiàn)浸入式量產(chǎn)的公司,自此追上了之前制程領(lǐng)先的英特爾。
浸入式改進(jìn)小、效果大、成本低,幾乎沒(méi)有人去訂購(gòu)尼康幾乎同時(shí)推出的157納米干式光刻機(jī)。雖然尼康只用了一年時(shí)間就完成了對(duì)浸入式技術(shù)的追趕,但ASML已經(jīng)搶先奪下IBM和英特爾等許多大客戶的訂單。
這導(dǎo)致后面尼康不再?gòu)?qiáng)勢(shì)。尼康在2000年還是老大,但到了2009年ASML市占率達(dá)到近七成,遙遙領(lǐng)先。
EUV光刻機(jī)之難在前文已有描述,一臺(tái)EUV光刻機(jī)有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)零件,需要40個(gè)集裝箱運(yùn)輸,重達(dá)180噸,安裝調(diào)試都要超過(guò)1年。
早在1997年,面對(duì)挑戰(zhàn)193nm之難,英特爾說(shuō)服了美國(guó)對(duì)高科技最開(kāi)明的克林頓內(nèi)閣,發(fā)起了合作組織EUV LLC。該組織由英特爾和美國(guó)能源部牽頭,還包括摩托羅拉以及AMD,以及美國(guó)三大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室——?jiǎng)趥愃估ツ獱枌?shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,投資兩億美元集合幾百位頂級(jí)科學(xué)家,從理論上驗(yàn)證EUV光刻的可行性。
美國(guó)政府對(duì)20世紀(jì)80年代和日本的貿(mào)易戰(zhàn)依然很敏感,不想讓尼康、佳能等日本公司與美國(guó)的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作,雖然尼康本來(lái)就認(rèn)為EUV技術(shù)行不通。
結(jié)果是尼康被排除在外,ASML被允許加入(在做了一堆對(duì)美國(guó)貢獻(xiàn)的許諾后)。
2012年,ASML請(qǐng)英特爾、三星和臺(tái)積電入股自己,因?yàn)镋UV光刻機(jī)的研發(fā)投入需要每年10億歐元??偣菜阆聛?lái),ASML從三大巨頭成功籌得53億歐元資金。而2012年全年,ASML的銷售額也才47億歐元。
2015年,可量產(chǎn)的EUV光刻機(jī)樣機(jī)發(fā)布,ASML站上光刻技術(shù)之巔。
正如《光刻巨人:ASML崛起之路》一書(shū)作者瑞尼·雷吉梅克在接受《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》采訪時(shí)說(shuō)的那樣:如果你想制造出一臺(tái)光刻機(jī),就需要在技術(shù)上投入大量的資金和人力,然而這樣的技術(shù)也只能維持幾代人。想復(fù)制ASML的成功,需要企業(yè)同時(shí)擁有資金、人才、政府支持以及歷史性的機(jī)遇。
ASML的成功無(wú)法復(fù)制,但其經(jīng)歷對(duì)芯片行業(yè)的后來(lái)者不無(wú)教益,尤其是其獨(dú)特的外包方式和供應(yīng)商生態(tài)。
如今的芯片產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈錯(cuò)綜復(fù)雜,一顆典型的芯片,可能是一個(gè)加州或中國(guó)的工程師團(tuán)隊(duì),使用美國(guó)的設(shè)計(jì)軟件,根據(jù)總部位于英國(guó)的ARM公司的藍(lán)圖設(shè)計(jì)出來(lái)的。 設(shè)計(jì)完成后,會(huì)送到中國(guó)臺(tái)灣的工廠,那家工廠再?gòu)娜毡举?gòu)買超純硅片及特殊氣體,接著利用一家荷蘭公司制造的、全球最精密的機(jī)器,把前述的設(shè)計(jì)刻在硅上。如果沒(méi)有這些公司,很難制造出先進(jìn)的芯片。 之后,芯片會(huì)經(jīng)過(guò)封裝與測(cè)試,通常是在東南亞進(jìn)行,然后才運(yùn)到中國(guó),裝進(jìn)手機(jī)或電腦。
還是以iPhone為例,臺(tái)積電和三星作為代工廠,是蘋果的供應(yīng)商;ASML作為光刻機(jī)制造商,是臺(tái)積電、三星的供應(yīng)商;而蔡司作為光學(xué)元件制造商,是ASML的供應(yīng)商……
而根據(jù)ASML 2022年年報(bào),其供應(yīng)商總數(shù)約為5000家,其中1600家在荷蘭,1300家在北美,1350家在亞洲。
這個(gè)漫長(zhǎng)的鏈條分擔(dān)研發(fā)成本,也分享商業(yè)利益。
有分析認(rèn)為,蘇聯(lián)在芯片上的落后一大原因是缺乏國(guó)際供應(yīng)鏈。硅谷與美國(guó)盟友合作打造的全球化分工極有效率。當(dāng)時(shí)日本主要生產(chǎn)內(nèi)存芯片,美國(guó)生產(chǎn)較多的微處理器,日本的尼康與佳能以及荷蘭的ASML瓜分了光刻機(jī)設(shè)備市場(chǎng)。 東南亞的工人負(fù)責(zé)大部分的最后組裝。 美國(guó)、日本、歐洲的公司在這個(gè)鏈條上爭(zhēng)奪地位,但它們卻都能夠把研發(fā)成本分?jǐn)偟揭粋€(gè)遠(yuǎn)比蘇聯(lián)還大的半導(dǎo)體市場(chǎng)上,因而受益。
如何利用好國(guó)際供應(yīng)鏈,如何定位自己在國(guó)際供應(yīng)鏈中的位置,這是每個(gè)芯片行業(yè)后來(lái)者該認(rèn)真思考的問(wèn)題。
本文綜合自:
(荷)瑞尼·雷吉梅克著;金捷幡譯:《光刻巨人:ASML崛起之路》,人民郵電出版社,2020.10。
(美)克里斯·米勒著;蔡樹(shù)軍譯:《芯片戰(zhàn)爭(zhēng):世界最關(guān)鍵技術(shù)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)》,浙江人民出版社,2023.5。
余盛:《芯片戰(zhàn)爭(zhēng)》,華中科技大學(xué)出版社,2021.11。
“金捷幡”公眾號(hào)“光刻機(jī)之戰(zhàn)”系列組文
B站UP主“談三圈”光刻機(jī)與芯片系列科普視頻。
責(zé)編:楊琳 yanglin@ceweekly.cn 美編:孟凡婷