荷兰为什么能生产光刻机？
2022-12-13 20:51:7 Author: 政事堂2019(查看原文) 阅读量:15 收藏
以下文章来自赛格大道
文/ 余绍清
中国是全球最大的芯片消费市场，但因为美国禁止所有使用了美技术和设备的企业向中国市场出货，用于生产芯片的高端光刻机被限制进入中国。几乎每隔一阵子，事关全球高端光刻机能否被中国引进的政策，都会成为新闻热点。
正如知名硬科技投资人蔡洪平所言：“从半导体研究的第一天起，就是全球化的，没有一个国家可以包圆（整个产业链），美国也不行。”所以，强如美国，也无法生产出顶尖光刻机，只能通过耍流氓的手段，对别国进行限制。
而相对美中德日这样的大国，荷兰是一个不折不扣的小国，但其生产高端光刻机的本土企业ASML，却在半导体行业内坐拥崇高地位。这家坐落于荷兰南部小城维尔德霍芬的科技公司，占据全球高端光刻机市场80%以上的份额。从1984年在板房创立，到2009年占据行业龙头，只用了31年。
理解ASML的崛起，或者说理解荷兰如何培育出ASML，对于解决当前中国的卡脖子难题，应该有一定价值。
光刻机到底比原子弹难在哪？
因为这两年卡脖子问题十分突出，越来越多的普通中国人都知道了光刻机这个东西。但听过光刻机这个词，不代表真正了解它。很多人说，当年咱们那么穷，都造出了原子弹，现在经济状况好了很多，难道还怕造不出光刻机？持有类似心态的人，以董明珠为代表，她曾放出豪言，要拿500亿进军半导体领域。
当前，全球最先进的EUV光刻机售价高达1.2亿欧，价格堪比一架波音737客机。2024年量产的新一代High-NA EUV光刻机，预计售价将在3-3.5亿欧之间。EUV光刻机的累积研发投入超过百亿欧元，半导体行业玩家的门槛是1000亿元，并且需要不断投入才行。脱口而出500亿解决问题，暴露出当事人对这个行业的陌生。
原子弹和光刻机都很难造，二者的关键区别也许只有一条，那就是原子弹造出后，研究项目也就结束了；而光刻机造出后，项目才刚刚开始，企业必须紧跟需求，持续优化性能的同时降低成本，属于典型的“既要又要”。有投资人测算过，如果按照造光刻机的效率来造原子弹，一颗原子弹的价格只要10万人民币。
简言之，原子弹是有没有的问题，光刻机则是好不好的问题，分属两个维度。
对于台积电、三星或中芯国际来说，企业投资数十亿美元建立生产线，最怕的就是设备故障导致停产，一旦停产，损失极大。所以，这要求光刻机必须保持7x24小时的绝对稳定性。这就必须依靠商业方式，不断地保持高利润-高研发投入-持续迭代，从而形成一个具有正反馈效应的循环。
一台EUV光刻机重达180吨，超过10万个零件，需要40个集装箱运输，集合了光学、有机化学、仪器仪表、机械设备、自动化、图像识别等多行业的顶级技术，仅安装调试就要超过一年时间，每年停修时间不超过3%。
EUV光刻机使用的反射镜片制造工艺更是极其复杂，为了确保光线在真空中穿过透镜时不丢失、不变形，需要的技术精度相当于在北京和上海之间铺一条铁链，铁轨起伏不超过1毫米。而这些反射镜成像精度之高，相当于我们在地球上拿个手电照到月球，光斑不超过一枚硬币大小。
正是因为光刻机具有超强的稳定性，所以，今天上海先进半导体工厂内，还有一台30年前进口的ASML光刻机依然在昼夜不停地工作。这是中国最早的一条5英寸芯片生产线，最初由荷兰飞利浦公司与上海几个国有半导体企业在1988年合资建立。
飞利浦不仅帮助中国大陆跟上国际半导体发展的步伐，对台湾地区半导体行业的起步也影响甚大，这一点后面会提到。不过，要论这家工业巨擘对于光刻机行业的最大贡献，还是要回到对ASML的哺育之恩。
背靠飞利浦，大树底下好乘凉
按照最新数据（2022年12月9日），ASML市值为2424亿美元，飞利浦仅为123.8亿美元，连ASML的零头都不及。更有意思的是，飞利浦持有ASML约5.8%的股份，折算下来140.6亿美元，超过了自身市值。
但如果将时针拨回1984年，情况则截然不同。那一年，飞利浦屈就和荷兰先进半导体材料公司（ASM）合作出资成立ASML，除了提供210万美元的现金或设备外，45位飞利浦Natlab的研发工程师也加盟ASML。
虽然有飞利浦Natlab的光环加持，但创立后的10年里，公司都未曾盈利。成立之初，ASML的光刻机无人问津，唯一买过几台的是Elcoma，它是飞利浦半导体和材料事业部。几年后，深陷泥沼的ASM创始人德尔·普拉多最终选择了撤资，飞利浦承担了ASM在合资企业中的股份和债务，并与ASML的银行NMB合作，接受来自荷兰和欧共体的研发捐赠。
《光刻巨人：ASML崛起之路》的作者瑞尼·雷吉梅克评价道：“ASML3年后还活着绝对是一个奇迹。”显然，ASML没有在最初几年倒下，与母公司飞利浦的输血有直接关系，除了资金支持，飞利浦还在ASML开拓亚洲市场的关键时刻，把自己最优秀的工程师派去协助，以确保订单不会消失。这对初创的ASML来说十分关键。
当然，飞利浦绝不是什么商业投资领域的慈善家。在数十年的合作中，ASML和飞利浦之间也有过多次摩擦。但不容否认的是，飞利浦客观上构建了一个持续运转的共享创新网络。飞利浦在荷兰每所大学都有耳目，与荷兰几乎每个工程或科学教授都有联系，一旦公司在大学教授的人际关系网里发现人才，有需要就会进行招聘。当ASML组建之初招聘员工时，有大约300人提出申请，这令ASML管理层感到惊讶。
不仅对ASML，也对维尔德霍芬地区的高科技产业发展具有巨大的辐射和孵化作用。当地数十家高科技公司都直接或间接脱胎于飞利浦公司，但飞利浦并没有强行将其变成旗下子公司，而是与其和谐发展，共同维护并呵护这个共享创新的模式。事实上，就连维尔德霍芬这座城市，也是依托飞利浦公司的成长而发展起来的。
飞利浦是荷兰维尔德霍芬地区的高科技企业之根。制图：牛媛媛、王天明
甚至，大名鼎鼎的台积电在1987年创立时，也称得上是飞利浦在中国台湾下的蛋。当时，台湾工研院和飞利浦创办台积电，飞利浦占27.5%股份，是最大外部股东。飞利浦不仅毫无保留地把内存生产线开放给台积电学习，还原封不动地把整条生产线搬到台湾给台积电。可以说，是飞利浦为台积电打下了坚实的生产技术基础，而张忠谋之于台积电，主要是开创了一个新商业模式。
有趣的是，因为飞利浦的关系，ASML在1988年拿到了台积电的17台光刻机订单，这让1989年的ASML获得了勉强盈利的结果。这也再次证明，飞利浦对早期ASML的重要性。
多年以后，ASML也秉承了飞利浦所青睐的共享创新理念。以2016年为例，ASML拿出了1.32亿欧元用于支持其创新生态系统建设，其中80%用于企业的研发工作，20%用于资助大学和研究机构进行研发。
此外，ASML与全球700多家供应商展开合作，50%来自荷兰本土，其余大多来自欧盟和美国，85%的成本由供应商提供。如果没有开放协同、共享共生的理念及其配套制度，是不可能做到这一点。当然，ASML也就不可能汇聚全球智慧，攻破看似不可逾越的技术难题，戴上工业制造皇冠。
携手卡尔·蔡司，锻造研发命运共同体
1988年，ASML陷入财政最低谷，也在此时，ASML利用尼康、佳能的冒进之举，推出了它的翻身之作——PAS 5500光刻机。ASML现在的CEO范登布林克，那时还是首席架构师，他成功将PAS 5500推广到了蓝色巨人IBM面前，后者决定在纽约东菲什基尔建立新的芯片生产线。
ASML获得IBM认可后，来自世界各地的订单开始纷至沓来。但对ASML来说，一个新问题出现了，那就是面对源源不断的订单需求，为自己提供所有的投影物镜和照明系统的核心供应商卡尔·蔡司公司，却存在多项不确定性：质量不合格、产能不足、与竞品合作。
质量、产能问题的背后，一是蔡司管理层并未真正认可ASML，相反蔡司更重视尼康的需求；二是蔡司管理层还在坚持人工打磨的方式，他们对公司内6名顶级技工的“金手指”十分引以为傲。对此，ASML拿着不合格的镜头，用事实让蔡司高管低下了高贵的头颅，同时，他们也抓住蔡司糟糕的财务状况这一痛点，推动蔡司从“金手指”打磨过渡到自动化操作。
借助干涉仪、机器人、离子束的刻蚀设备、抛光笔等新技术新设备，蔡司百年以来的老生产线被改造成了符合ASML要求的柔性生产线，最终交付的镜头品质和效率大幅提高。
光学系统是光刻机最核心的部分，负责利用光线，将设计好的图纸打在晶圆表面，以便下一步在晶圆表面雕刻。上图紫色部分为卡尔·蔡司为ASML提供的光学仪器。
让德国人知错就改后，ASML还要求蔡司只能给自己独家供货，两者签署一份契约，ASML在蔡司半导体光学部门（SMT）拥有24.9%的股权。由于双方命运极为紧密地联系在了一起，所以当1994年时任蔡司CEO利希滕贝格听到ASML巨额订单的消息时，他选择赌了一把，砍掉了部分业务部门，不仅按要求改造生产线，还入股了ASML，并以借东风的方式，一扫财报连年亏损的阴霾。
到今天，ASML和蔡司还在定期交换研发工程师和科学家，确保从技术、股权甚至企业文化上进行共享。ASML制造的光刻设备总成本中，有将近30%购自卡尔·蔡司（2018年为28.3%，2017年为26.6%，2016年为27.6%）。而蔡司在光学研发上所取得的无与伦比的成就，也在不断帮助ASML突破一个又一个极限。
这是一个相互成就的故事，但如果没有ASML坚持高标准来倒逼包括蔡司在内的供应商不断进行技术升级，光刻机行业的创新步伐就不会这么快；此外，通过交叉持股的方式，最大限度确保了彼此的同进退，也证明了金融创新在尖端制造业中的重要性。
拥抱技术联盟，戴上工业制造皇冠
1995年，ASML在阿姆斯特丹和纳斯达克交易所同时上市，一时间，订单、资金都不再是企业发展的障碍，如何将领头羊尼康挑落马下，成为ASML管理层思考的重点。
上世纪90年代中叶，光刻机如果想继续遵循摩尔定律，跨越芯片精度上的限制，就必须让光刻机内的光源从DUV变成EUV。为了挑战这一在当时如外星科技般的技术难题，英特尔在1997年说服克林顿内阁，以公司形式发起了EUV LLC合作组织。
这个组织由英特尔和美国能源部牵头，不仅包括美国三大国家实验室，也汇聚了当时如日中天的摩托罗拉和AMD。同时，英特尔还力邀ASML和尼康加入，这是因为80年代还纵横捭阖的美国老牌光刻公司Perkin-Elmer和GCA，到90年代大势已去。
不过，英特尔此举受到美国政府的阻挠，因为后者舍不得让外国公司分享美国最前沿的技术。对此，ASML展示出了惊人的技术前瞻性，远比尼康积极地挤进EUV LLC。ASML在美国进行强力游说，开出了让美国政府很难拒绝的条件——由ASML出资在美国建工厂和研发中心，并保证55%的原材料都从美国采购，最终得到了加盟资格。
这一决定不仅确保了ASML可以获得EUV LLC的全部技术专利，还确保了自己最大的竞争对手尼康，彻底被排除在竞争之外。实际上，2000年的全球光刻机市场，尼康依然是当之无愧的老大，占据了近7成市场份额，但到2009年即被ASML超过。此后，因为光刻机进入EUV时代，尼康只能在中低端市场刷存在感，早已看不到ASML的背影。
从1997年到2003年，6 年间EUV LLC的科学家发表了几百篇论文，成功验证了 EUV光刻机的可行性，之后便宣布联盟解散。2006年，在ASML实验室里出现了EUV的原型机，四年后的2010年，在ASML手中诞生的人类第一台EUV工程样机：NXE 3100。
2012年，因为研发投入需要每年10亿欧元，ASML请英特尔、三星和台积电入股，希望大家共同承担这个人类的伟大工程。2015年，可量产的样机发布。虽然售价高达1.2亿美元一台，但还是收到雪片一样多的订单。排队等交货，都要等好几年。2018年，中芯国际曾预订过一台EUV光刻机，因为美国技术封锁，该计划已经被暂停。
ASML在1997年成功加入EUV LLC，2012年吸引英特尔等客户投资自己，可谓带来了两大后果：一是凭借EUV甩掉了竞争对手尼康，二是加强了与美国捆绑，因为政治对抗失去中国市场。对于ASML来说，这两者都是难以预料的，它既不能确保自己选择的技术路径一定成功，也不能左右国际政治博弈的大局。
但有一点是可以确定的，那就是如果ASML不加入英特尔和美国政府主导的技术联盟，就不可能获得后来至高无上的行业地位；反过来，即使强如美德日，在今天如果少了ASML、台积电、三星，也都无法单独实现芯片产业的闭环。
这一点，当然也适用于中国。
对中国半导体创新的几点启迪
对中国科技企业而言，ASML和它所在的荷兰存在很多独特性。但平心而论，这种独特性不在于当年荷兰比今天中国拥有多少优势，而在于ASML能够将可调动的优势发挥到极致。
今天，中国拥有全球最大的单一消费市场，从政府到企业，也都雄心勃勃地试图征服半导体高地。这些都是十分珍贵的优势，但是，我们也需要观照他人、深刻反思自己的不足，就ASML的案例，至少可以给我们以下几点启迪：
第一，必须尽快扭转制造业供应链外流的趋势。从ASML的经历来看，供应链就是它的生命线，更是它的创新线。ASML对蔡司的技术规范和提升，在过去几十年里，也大量发生在外资企业和沿海工厂之间。最典型的就是苹果供应链，2008年的时候，中国大陆企业在苹果供应链中只占了3.6%的价值比重，到了2018年，这一数据已经提升到25.4%，数据背后是中国供应链企业的集体飞跃。
今年前11个月，越南进出口商品总金额累计已达到6738亿美元，同比增长11.8%
甚至，中国在融入全球供应链的过程中，还打造出自己的手机品牌，OPPO、vivo、华为、小米等等，都享受了中国企业融入全球供应链后的多方面溢出效应。要知道，飞利浦最早的光刻机技术，就是对美国企业的跟随和模仿，而ASML击败尼康，也花了20多年。它早期成功的标志，就是成为IBM的供应商。
因此，当前科技产业供应链的外流需要引起足够的重视，必须注意到越南的进出口数据和印度的灯塔工厂数量的增长势头，这些都是再明显不过的信号。守住这些供应链，我们的半导体行业就有突破的希望。
第二，应该珍视类似飞利浦这样的生态型龙头企业。生态型龙头企业和一般龙头企业不同，它们往往是产学研一体化的组织者、统筹者，对中小科技企业的孵化功能，是一般龙头企业和创业孵化器所不能比的。对于飞利浦来说，并没有一个明确计划去孕育一家ASML，但它在发展中天然会去搭建一个创新生态，沐浴在这个生态下的中小微企业，自然而然得到了生态中的养分。
在硅谷、长三角以及粤港澳大湾区，都存在一批这样的生态型龙头企业，通过股权、知识和人才网络等形式搭建一些区域性的共享创新生态。深圳、杭州之所以敢喊出建设“东方硅谷”的口号，底气就在于已经培育了腾讯、阿里这样的生态型龙头企业。
在近日举办的大湾区科学论坛湾区科创峰会上，樊纲表示，中国的数字科技企业也是实体经济的重要组成部分
正如经济学家樊纲在近期的一次演讲中提到，大企业是当前经济发展、产业进步的决定性力量，中国的大企业不是多了，而是太少了。他领衔的研究团队发布了《共享创新指数报告》，指出全球经济产业组织的底层逻辑正发生颠覆性改变，科技竞争正从企业、城市之间的竞争，走向生态之间、城市群之间的竞争。在中国，两个三角洲拥有明显高于其它地方的创新水准，依赖的正是高密度、高效能的创新网络。
第三，需要意识到资本市场对半导体产业的重要性。ASML所在的欧洲，从荷兰政府到欧共体和后来的欧盟，都比美国更喜欢给企业补贴，ASML当然是受益者之一。但ASML真正解决资金问题，是通过在欧洲和美国的同时上市，连接全球资本市场后，企业发展很快进入了快车道。这一点，2010-2018年间上市的中概股企业一定颇有体会。
相对而言，国家资本拥有更长远的眼光，但民间资本更注重投资回报中的正反馈效应，在瞬息万变的市场，民间资本能够更好地支持企业做出抉择。毕竟，没有一家企业事前知晓哪一条技术路径，哪一种商业模式可以百分百获得成功。所以，高频高效的反馈机制对于企业十分关键，而资本市场的信号往往是最快速、最清晰的。
过去十几年里，从互联网科技到新能源汽车，一批中国企业借力资本市场，历经重重困难，最终杀出一条血路成为市场宠儿。这些有国际竞争力、影响力的科技企业，应被视为“国家战略型企业”。未来，中国必须持续扩大战略型企业的矩阵，而半导体企业一定会以主角的身份，位列阵中。
作者系IT界从业者
本文首发于财新网，略有改动。
参考文献：
1、《光刻巨人：ASML崛起之路》，2020，[荷兰]瑞尼·雷吉梅克 著，金捷幡 译，人民邮电出版社；
2、《中国出口之谜：解码全球价值链》，2022，邢予青 ，生活·读书·新知三联书店；
3、《知识密集型产业创新生态系统建设：以荷兰ASML公司为例》，2020，牛媛媛、王天明，《科技导报》（38）；
4、《战略投入与制造业生态体系：ASML光刻机崛起的启示》，2021，严鹏，《中国信息化》（4）；
5、《四万字详解ASML崛起之路》，陈启，微信公众号“启哥有妙计”
  赛格大道的第87篇文章
排版 余先生
往期回顾

文章来源: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMzU1ODAwOQ==&mid=2650392763&idx=2&sn=c7a74ca27952e6407bca57355db3866b&chksm=833437adb443bebb4d692751e5df213717ad11a652db0195f73ed9200358f8ff95c788e04b53#rd
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