为什么中国研发不出高端光刻机
华为推出的新款手机采用7纳米芯片，号称是一个重大突破。但芯片是中芯国际生产的，如果有突破，那也是中芯国际的突破，跟华为没有关系。中芯国际有从荷兰阿斯麦公司进口的深紫外光刻机。最好的深紫外光刻机能生产28纳米芯片，但台积电采用多重曝光的方法，用这种光刻机在2018年也生产出了7纳米芯片。中芯国际其实是把台积电当年的做法山寨过去了。这样生产出的7纳米芯片存在着两个问题：第一成本很高，第二良率很低。所以只过了一年，2019年，台积电就放弃了这种做法，而采用更先进的极紫外光刻机生产7纳米芯片。后来又用极紫外光刻机生产5纳米芯片、4纳米芯片、3纳米芯片。如果没有极紫外光刻机，想要生产5纳米、4纳米、3纳米芯片，是不可能的。
这两种光刻机有什么区别呢？深紫外光刻机早在上世纪80年代就开始使用，已经比较落后了，而极紫外光刻机是直到2018年才开始商用的，差了几十年。它们最大的区别是使用的激光光源不同。深紫外光刻机激光光源发射的紫外线波长是193纳米，而极紫外光刻机激光光源发射的紫外线波长只有13.5纳米，差了十几倍。波长越短，分辨率就越高，做出的芯片的制程也就越小，所以激光光源是光刻机的一个核心部分。
另外一个核心部分是光刻机的光学系统。极紫外光刻机发射出来的激光要由一面镜子反射，镜子的精度要求极高，必须非常平，号称是世界上最平的东西。平到什么程度呢？如果镜子有美国大陆那么大，上面的凸起不能超过0.4毫米，精度就高到了这种程度。激光从镜子上反射出去，打到晶圆（圆片状的的硅晶体）上，对晶圆进行蚀刻，刻出集成电路。
芯片制程的纳米数越小，意味着在芯片上能够放进去的晶体管数量就越多，能够形成的电路也就越多，芯片的速度也就越快。目前最好的苹果手机iPhone15 Pro Max用的是3纳米芯片，在那块小小的芯片上放进了190亿个晶体管。而7纳米芯片的晶体管数量只有85亿个。
极紫外光刻机的核心技术是美国能源部的国家实验室在上世纪90年代末研究出来的，要使用核心技术，就必须获得美国能源部的授权。在上世纪90年代末，世界上几家生产光刻机的公司都想获得美国能源部对此核心技术的授权。当时生产光刻机最主要的厂家是日本的两家公司：尼康和佳能，但美国能源部不愿意授权给它们。美国当时把日本当成强有力的竞争对手，不愿意把美国纳税人投资研究出来的最先进的技术授权给日本公司，只授权给了荷兰的阿斯麦公司和美国的公司。后来，阿斯麦公司收购了美国的硅谷集团，而另外一家获得授权的英特尔公司放弃了研发光刻机，改为投资研发光刻机。投资给谁？就是投资给阿斯麦。阿斯麦当时是个小公司，没有资金研发极紫外光刻机，就由英特尔、台积电、三星这三家国际大公司一起投资阿斯麦公司，让它来研发极紫外光刻机。总共投资了63亿美元，花了17年时间才研发出来，并在2018年得到了商用。
极紫外光刻机被一些人称为目前世界上最复杂的机器。它用到了45万个配件。这45万个配件要由世界上24个国家近800家厂商供货。比如我刚才说的一个核心部分激光光源，世界上只有一家公司才能生产，那就是圣地亚哥的塞默尔公司。阿斯麦公司干脆在2013年花37亿美元把它收购变成了自己的子公司，这样就可以垄断极紫外光源了。我刚才说的另外一个核心部分光学系统，世界上只有德国蔡司公司能生产出世界上最平的镜子。阿斯麦公司没有收购蔡司，而是跟它建立了伙伴关系。
生产极紫外光刻机，是先由阿斯麦公司分布在世界各地的40家子公司生产出组件，再运到阿斯麦公司总部组装，总部实际上起的是组装的作用。阿斯麦公司虽然是荷兰的公司，但它是由国际上的大公司一起投资的，其中最大的股东是美国的公司。阿斯麦用到的配件是在世界各地生产的，主要的供货商是美国的公司，55%的配件是由美国供货的。所以，极紫外光刻机是国际合作的结果。
极紫外光刻机非常庞大，一台要装40个集装箱，用20辆大卡车运输。一年只能生产40多台，供不应求，基本上被英特尔、三星、台积电三大股东给包了。美国不准中国买，所以中国想买还买不到。
阿斯麦本来是一家小公司，由于研发出了极紫外光刻机，一台卖2亿美元，一下子就发大财了。它现在是欧洲市值最大的公司，也是世界上市值最大的公司之一，它的市值已经超过了投资它的英特尔。
目前，世界上只有4家公司还在生产光刻机。高端的光刻机被阿斯麦公司垄断了。中端的光刻机除了阿斯麦公司，还有尼康在生产。佳能目前只生产低端光刻机。第4家生产光刻机的公司是中国上海微电子，目前只能生产低端的90纳米光刻机。90纳米光刻机是国外几十年前就已经有的东西，只能用来制造低端的芯片。比如WiFi里的芯片，就可以用90纳米光刻机来生产，智能手机用的高端芯片则生产不了。
上海微电子在2020年曾经宣布过，2021年要推出最先进的深紫外光刻机——28纳米的光刻机，但后来没下文了。2023年年底上海张江集团曾在微信公众号宣布上海微电子已成功研制出出28纳米光刻机，但后来又删掉了。即使研制出28纳米光刻机，能不能量产也是个问题。即使能量产，能不能卖出去又是另外一回事了。国外的芯片公司是不会买的，国内的芯片公司目前用的也都是阿斯麦、尼康的光刻机，中芯国际用的就是阿斯麦的。
即使上海微电子推出了28纳米光刻机，它也面临着两个问题。第一是稳定性问题。上海微电子也被美国制裁了，只能用国产的零配件。而国产的零配件质量是靠不住的，稳定性就会有问题。即使稳定性解决了，还面临着兼容性的问题。生产芯片不是有了光刻机就可以的，还要有别的机器。厂家就是针对这些光刻机来生产其他机器的，所以阿斯麦的光刻机、尼康的光刻机，已经跟别的生产芯片的机器兼容得非常好了。跟上海微电子的光刻机兼容不好，就相当于还得另外生产或购买别的设备，那些芯片厂家当然就不愿意购买了。除非中国政府下行政令，命令中国的芯片厂只能用国产的光刻机，否则它们还是会继续使用国外的光刻机。
另外，上海微电子生产的光刻机号称用的都是国产配件，它列出的供应商也的确都是中国的，但是仔细看它的供应商就会发现，这些中国供应商用的原材料还是离不开国外的。比如给上海微电子供应光源系统的中国供应商，它们还是要用到德国公司、美国公司的产品。如果美国要加大制裁力度，还是能够制裁得到的。
至于极紫外光刻机，中国不可能自己研发出来，更不可能生产出来。极紫外光刻机的研发、生产是国际合作的结果，不是靠某一个国家自己就能够研发、生产出来的，美国也做不到。虽然它的零配件大部分是美国公司提供的，核心技术也是美国的，但靠美国一国之力也是研发不出极紫外光刻机的，中国更不行了。所以网上传言说中国已经研发出极紫外光刻机，纯粹就是谣言。想靠一国之力研发出极紫外光刻机，那是痴心妄想。
以为不怕制裁，靠闭关锁国就可以发展高科技，连极紫外光刻机也能自己搞出来，那是不可能的事。中国号称现在生产出来的芯片跟国外只有几年的差距，但这是靠国外生产的光刻机生产出来的。如果看光刻机，那差距就不止几十年了，在可预见的未来永远别想追上去。所以，中国还是要尽量想方设法跟别国搞好关系，别老想着闭关锁国，别再胡吹“你越打压，我们发展得越好、越快”了。
2023.09.09录制
2024.05.12整理