热点:

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?

      [  中关村在线 原创  ]   作者:王征   |  责编:王征

             【中关村在线原创】在中美贸易摩擦的进程中,华为成了漩涡中的焦点。面对科技封锁,可以看到越来越多的供应商切断了对华为的后续供应。这就让人产生一个问题:我们能不能自己关上门,另起炉灶造芯片、生产半导体?当年外界封锁更厉害,我们两弹一星不是也造出来了?这两者的难度怎么比较?

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?

    原子弹的难度

            我们先来说说造原子弹。早在上世纪初的1905年,爱因斯坦推导出了质能方程:E=MC2,这个公式建立了质量和能量直接的联系,为制造核弹提供了最基础的理论。众所周知,此后世界经历了一战二战,在第二次世界大战,作为盟军一方,美国为主、英国和加拿大为辅,提出了要在纳粹之前研究出原子弹的计划,称之为“曼哈顿计划”。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    曼哈顿计划实施的不同区域

           领导曼哈顿计划的奥本海默有原子弹之父的称呼,也有费米这样的诺贝尔物理学奖得主的参与。关于怎么做原子弹我们不去深究,这里我们只看时间和规模:曼哈顿工程在1939年就秘密展开,工程设计多大13万人,到1945年第一颗原子弹试爆成功,经历了六年。我国是在1956年制定的《1956至1967年科学技术发展远景规划纲要》中提出要发展自己的尖端科学技术。到1959年6月,苏联专家撤出,我们中国人自己勤劳的攻克难关,再到1964年10月第一颗原子弹爆炸,经历了7年左右。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    铀也称之为黄饼,主要是铀的氧化物

           现实的情况是制造原子弹的难度已经没有过去那么高。难度高的是浓缩铀的获取,需要高速的离心机,把不同原子量的同位素化合物来分离出来。

    难度更高的氢弹

           与原子弹不同,氢弹全世界都是只见过外形,没有公开的资料知道氢弹里面到底什么样:因为能制造氢弹的五个国家就是联合国安理会的五个常任理事国,这是这五大有核国家的最高机密。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    爱德华泰勒

           美国是1950年开始研究氢弹,项目的领导者叫做爱德华泰勒。美国最初研究出来的氢弹重达65吨,里面的氘是低温液态的,因此没有任何实战价值,直到1954年才试爆成功第一颗有实战意义的氢弹。中国则是在1964年试爆了第一颗原子弹之后,与1967年试爆了330万吨当量的氢弹,是从原子弹到氢弹最快的国家。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    于敏院士荣膺2014年国家最高科技奖颁奖现场

           氢弹的难点在哪里?在于氢弹的能量来源不仅是氘氚的核聚变,还有核裂变,是混合弹,所以怎么个结构就非常重要。目前全世界公开的资料显示,只有“泰勒-乌拉姆构型”和中国的“于敏构型”。可以说没有于敏院士的卓越贡献,中国的氢弹将很可能会出现的很晚,从某种意义上说,于敏对于中国两弹的贡献,或许等于奥本海默+费米+泰勒,他也因为对中国科技的卓越贡献获得了国家最高科技奖。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    人类有史以来最大的沙皇氢弹,当量5000万吨TNT,1961年。图:Science photo library

           原子弹或许是经验积累,氢弹需要的是天才构想,这种天才构想的难度在笔者看来不亚于诺奖。

    曾经容易的半导体制造

           笔者曾经写文章介绍过肖克利以及三极管,制造单独一个PN结半导体并不难。在集成电路出现的早期,人们也不觉得制造集成电路是一个很难的事情。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    1971年的英特尔4004,2300个晶体管

            在上世纪六十年代,只要画好了胶片,然后给晶圆(当时的晶圆直径要比今天小得多)刷上光敏胶,把胶片覆盖上去,曝光、除胶、填金属等等一系列工序就完成了半导体制造。当时的半导体制造手工程序多。在英特尔4004时代,晶圆是2英寸的……考虑到4004的大小,可能一片晶圆上也就曝光几个甚至一个4004芯片,4004芯片集成了2300个微型晶体管、导线宽度是10微米。要知道4004已经是1970年代的技术了,1960年代甚至晶圆直径只有1英寸,半导体的集成度更低。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    16mm摄影机镜头

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    1974年英特尔的半导体生产线,并不是超净车间

          在当时,制造半导体只要改造一下投影机的镜头就可以,因为投影机是水平载物-水平像场,对于半导体制造来说非常合适,所以这些半导体企业基本都是自力更生就能自己生产,英特尔据说就使用的16mm摄影机的镜头改造的。

    芯片从手工到自动

           摩尔定律指出,每18个月半导体的集成度就会提升一倍。4004是1971年的事情,还可以用前面说的“笨办法”来生产,因为当时的集成电路需求没有这么大,而这种办法也能支撑一阵子。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    8086的线图画了两年多时间

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    当年GCA的光刻机广告

          但是到了1978年,英特尔8086的时代。8086的晶体管数量不到三万个,结构设计只用了三个月,但是当时没有EDA软件,连CAD软件都没有,因此是手工绘制的集成电路图,这么多元器件、分层,4个工程师和12名布线员画了两年多时间才完工!需求的上升意味着半导体要扩大产能,在这一年诞生了一个名为GCA的公司,它能生产步进式光刻机,并且可以刻录的半导体线条比之前的投影机改造细五倍。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    尼康精密的早期光刻机产品

           当时的半导体企业虽然比现在多,但集成电路需求在那里,所以这并不是一个需求多么强烈的市场,但是从手工到自动化还是质变的,很快Nikon Precision也在1980年代参与进来,那个时代的日本企业,是活跃在全球科技一线阵营的,尤其是半导体。尼康的光刻机光学更先进、产能更高,更瘦欢迎。

           不过这时候的光刻设备,只能说是一台精度稍高的“自动化”设备,科技含量并不高。

    光刻机混战与ASML诞生

            尼康和GCA很快就在八十年代中期占据了光刻机市场的多半市场,每家30%,剩下的市场则有Ultratech占10%左右,剩下的20%则是Eaton、P&E、佳能、日立等企业瓜分。到了1984年,荷兰的飞利浦也在实验室里做出了光刻机的原型,但是想找合作的时候受到了很大的阻力。一个名叫ASM International的企业老板 Arthur Del Prad听说了此事,主动要求合作。飞利浦的半导体或许很多人不了解,其实这部分业务已经拆分出去,现在叫做NXP半导体,目前还是世界前十大半导体厂,车用半导体领域的龙头老大。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    简易板房里的ASML,旁边就是垃圾堆……

           但是ASM并没有什么技术背景,因此飞利浦犹豫了很久,才答应双方各持股50%,把光刻机产品从实验室原型转向商品化。ASML成立的时候,条件艰苦到是在飞利浦公司外的简易房里工作。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    ASML的PA-2500光刻机,找到了美国的买家

          ASML在荷兰,近水楼台的找到了当时西德的蔡司合作来改进光学系统。到1986年其第二代系统PAS-2500,远销到了美国。不过当时ASML是行业内的小公司,所以1986年的行业滑坡并未影响到太多,但是行业内美国的光刻机企业就不堪重负纷纷倒闭,而日本的尼康和佳能则因为光刻机业务在营收占比其实不大,所以可以一直得到扶持,迅速占据市场。到90年代的时候光刻机市场大部分都是尼康等这些日系企业的,而ASML到90年代有了10%的市场。

    光!光!光!

          90年代以后,我们开始了解到奔腾处理器等等,半导体的集成度在变得越来越高,光刻机的主流变成了尼康与ASML的竞争。半导体行业的摩尔定律要求刻线越来越细,但是光刻机遇到了问题。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    DUV光刻机的结构,图:普渡大学

          刻线越来越细,就要求光的波长越来越短。电磁波谱里面,可见光的波长是380-780纳米,但是到了90年代,普通光源的可见光波长就不太够用了。90年代早期还是400纳米波长的汞灯,但是很快就进化到248纳米的KrF激光,通俗点的说法叫准分子激光,频率在紫外线区域,人眼已经看不到了。世纪交接的时候,开始使用的是深紫外线几个DUV,波长193纳米。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    浸入式光刻

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    浸入式光刻原理

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    ASML光刻机的进步

           值得大书特书的是ASML在193纳米的浸入式光刻产品取得了巨大成功,属于低成本高回报,简单的说不过是镜头和光刻胶之间使用液体代替了气体,迅速扩大了自己的市场,在本世纪头10年成为市场的龙头老大。尼康的失败在于157纳米的投入成本高但是收益低,刻线提升不大,丢失了市场份额。

    EUV与ASML的成功

           在193纳米瓶颈期,业内都在考虑怎么办。157纳米阵营里面主要是尼康和SVG,X光、电子束投射等等。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    电子束光刻不过是用电子束取代了短波长的光,技术更超前

            电子束投射是朗讯贝尔实验室、IBM、尼康合力研发的技术,使用的是0.004纳米的电子束,可以说是尼康和ASML主导的EUV的生死对决,然而尼康并没有输掉技术,这一技术还是遥遥领先ASML的EUV的,但是输了的是市场。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    ASML的EUV光刻机

            13.5纳米的EUV使用极紫外线激光,主导的企业开始是IntelAMD、摩托罗拉以及美国能源部,后来ASML、镁光、英飞凌半导体也加入了这个阵营。目前的主流7纳米技术都是使用的EUV,也是比较成熟的技术。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    ASML:谁投资入股谁优先购买光刻机

           ASML的成功关键是要求客户必须投资入股才能优先购买最新的光刻机。因此Intel、三星、台积电等等都是它的股东,新光刻机的研发也是股东们掏钱,相当于分散风险。这种模式下还有个好处是不缺客户。EUV光刻机每台售价高达1.2亿美元。ASML2018全年营收109亿欧元,同比增长22.1%,净利润26亿欧元,同比增长25.4%,这是一个高风险、高利润的行业,普通的制造业是远远达不到20%以上的净利润的。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    今年7月,我们就能用上AMD的7纳米技术CPU了,EUV光刻机生产

           受制于半导体制程,其实现在的摩尔定律已经减慢了速度。目前全世界部署了的EUV光刻机有30多台,但是距离规模量产还有距离,主流的还是浸入式的193纳米的光刻机,而这种光源已经用了20年了,可见科技领域攻关的难度,ASML可是集合了一堆顶级半导体厂,联合弄了十几年才进化到EUV光刻机可以量产出货,但是全球的芯片普遍升级到7纳米制程,还要好几年时间,因为EUV光刻机要一台一台的造,部署就要一年,这东西工作非常苛刻,需要真空环境……

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    EUV没有后来者

           EUV之后呢?现在还没有企业去尝试挑战。因为EUV已经花费了太多投入,产业也要慢慢的升级来收回投资。EUV光刻机是顶级的光学、机械、材料学等等技术的综合体,考虑到目前只有ASML一家能造EUV光刻机,可以说难度不亚于造氢弹,所以卖的也是最先进的武器-F35战斗机价格。

    科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?
    中国航空博物馆的我国第一枚氢弹模型,现在独立发展EUV光刻机难度不亚于研究氢弹

           光刻机与氢弹的不同在于,氢弹只要解决有无即可,当量好说,不用考虑先进性的问题;但是光刻机如果闭门造车,恐怕永远比门外的进度慢至少一二十年。并且光刻只是半导体制造流程的一部分相当于我们盖房子施工,图纸设计的EDA软件同样也是国外几大公司垄断,国产EDA软件处于非常难用的雏形阶段,可以说在现阶段想通吃一个高科技产业的所有工序在全世界都处于绝对领先,不仅仅是中国做不到,美国也做不到,这是属于国际合作的时代,需要的是大家一起贡献智慧和资本来解决问题,合作才能共赢。

    本文属于原创文章,如若转载,请注明来源:科技封锁:造原子弹和半导体哪个更难?http://www.g7ixctp7x.com/717/7178006.html

    www.g7ixctp7x.com true http://www.g7ixctp7x.com/717/7178006.html report 8866          【中关村在线原创】在中美贸易摩擦的进程中,华为成了漩涡中的焦点。面对科技封锁,可以看到越来越多的供应商切断了对华为的后续供应。这就让人产生一个问题:我们能不能自己关上门,另起炉灶造芯片、生产半导体?当年外界封锁更厉害...
    提示:支持键盘“← →”键翻页阅读全文
    本文导航
    • 第1页:造原子弹和半导体哪个更难?
    • 猜你喜欢
    • 最新
    • 相关
    推荐经销商
    投诉欺诈商家: 010-83417888-9185
    • 北京
    • 上海
    • 百家乐网
    • 新品上市
    推荐问答
    提问
    0

    下载ZOL APP
    秒看最新热品