卷首語
發現創作者們對自己的要求都會特別高,如果剛好在讀這篇的你也是創作者,有時候可以「放過自己」,告訴自己你很棒。
看到谷阿莫在講 YouTube 頻道的近況,其實這跟文字創作也有某種程度的相似之處,如果是為了賺錢才進來,前期會非常辛苦要撐的下去,先想清楚,賺錢的方法很多,不是只有影音文字。
如果你是熱愛分享,那記得這份分享的快樂,別被虛榮心指數給帶走了。只要你的內容哪怕只有一個人期待著,為這個人努力創作分享也會是一件很快樂的事,大家也要多多鼓勵創作者!
今天這篇還參考了ASML: A Monopoly on Magic 這篇,也很精采如果對於 ASML 及 EUV 光刻機還想多看看推薦閱讀。
內容的影片大多來自 ASML 的粉專,很多動畫都蠻棒的,可以幫助大家更理解。
解讀系列
背景知識
2000 年代,大家常把半導體分成 3 類:
邏輯晶片:用來驅動智慧型手機、電腦和伺服器的心臟。
記憶體晶片: DRAM 和 快閃記憶體(NAND)。
DRAM 提供電腦運行所需的短期記憶。
NAND 則是長時間記憶資料。
廣泛類型的晶片,像是:
類比晶片:把視訊或音訊轉換為數位資料。
無線射頻晶片:使手機可以與網路連接。
管理設備用電方式的半導體:確保設備有效且安全地使用電力。
如今建立一間先進的邏輯晶片廠至少需要 200 億美元,很少公司能夠負擔。
格芯:從 AMD 分出去的晶圓代工廠。
前情提要
幫大家重溫一下重點項目,上一期提到,張忠謀為什麼創立台積電的遠見:
因為每一代晶圓的技術進步,都會堆高晶圓廠的成本。每一片晶片越來越小、越來越難做(成本越高),然後大量新的應用需求被打開,所以成本是指數級增加的。
因此,捨棄設計晶片這個業務,台積電就當一個專屬的印刷廠,別的晶片公司不怕台積電偷走自己的想法,比起三星這樣設計兼製作晶片的公司,台積電一定更值得信任。
台積電出現,也造就了一個大晶片時代。
台積電大同盟
張忠謀自己也意識到,台積電技術上可以超越競爭對手,因為本身處在一個中立者的角色,台積電讓自己成為這些上下游廠商的中心節點,他把這數十家公司圍繞著台積電的運作模式稱為「大同盟」。
這些圍繞台積電的上下游公司也許會彼此競爭,但因沒有廠商生產晶圓,所以沒有一家跟台積電競爭,台積電也因此手握『為這些公司制定晶片製作標準和協議』的權力。
金融危機小故事
2008 年金融危機時,蔡力行(張忠謀欽點繼任者)做了一件幾乎 CEO 都會做的是:『裁員及削減成本』。
但是,張忠謀看準了智慧型手機晶片的發展,他篤定這一波一定是個大機會,他裁掉了蔡力行,重新招回那些被蔡力行裁掉的員工。
即使在金融危機的 2009 ~ 2010 年,仍然增加了數十億美元的支出,只為了搶下並保持這個市場的龍頭地位,事後也證明了張忠謀是對的!
NVIDIA 的誕生
1993 年,黃仁勳等人創立了 NVIDIA。NVIDIA 的第一批客戶是影片和電玩公司,雖然看起來不是最先進的公司,但 NVIDIA 認為圖像的未來是顯示複雜的 3D 立體圖像,因此朝著這個方向前進。
小知識:1990 年代, Office 推出的迴紋針,代表著圖形技術的大躍進!(很常當機就是了)
想到 NVIDIA 就會想到最著名的顯示卡,當初有鑑於對圖像顯示的重視,NVIDIA 設計了能夠處理 3D 圖形的晶片,也就是圖形處理器(Graphics Processor Unit,簡稱 GPU)。
快速說明一下讓大家理解 CPU 跟 GPU 的差異:
CPU(中央處理器)就像一個經理,他能同時處理很多不同的工作,這些不同的工作需要同時處理時,經理可以處理的很快。
GPU(圖形處理器)就像工廠的工人,專門做重複或特定的工作,執行起來效率特別特別高。
所以像是挖礦或是遊戲的超高畫質顯示,交給 GPU 的效率跟 CPU 可以說是天壤之別。
相信這樣講印象可能不深刻,直接上一部幾十秒的影片讓大家知道 CPU 及 GPU 在處理圖像時的差異:
(影片翻譯來源:寶玉)
後來,NVIDIA 發現晶片不只適用於繪圖業,其強大的平行處理功能還打開了一個龐大的新市場:AI 運算。
NVIDIA 就是受惠於台積電的無晶圓廠模式,NVIDIA 只需要設計晶片,台積電就會製造出來。
(這樣想想 NVIDIA 真像是第一批拿到大祕寶的人)、(海賊王的梗,抱歉了沒看海賊王的讀者們)
超複雜的機器:EUV 光刻機
(圖片來源:ASML)
這個介紹在書中只有用一個篇章(第 39 章),卻盡顯了為什麼 ASML 的重要以及製造 EUV 光刻機如此困難。
在讀這本書之前,我一直有個大問題,相信也是讀者會有的問題,那就是:
中國沒辦法自己製造最先進的晶片嗎?為什麼近幾年總是被美國掐脖子?
看完 EUV 光刻機的發展就會有頭緒了!
在上一篇的『光刻技術的地位』這個小節提到,光刻技術的關鍵在於光的波長,波長就像刀片的鋒利程度。
波長越短,就可以“刻畫”出更小和更精細的光刻圖案,就像更鋒利的刀刻出更精細的圖案一樣,可以製作出更小、更密集的電路。
但原本傳統方法紫外線能達到的波長最小就在 248 奈米或是 193 奈米,要向上突破只能寄希望於 13.5 的極紫外光上。
但是,要用上 EUV 可以說幾乎不可能,原本使用的是顯微鏡、可見光加上柯達的光阻劑,但是要用上 EUV 的話幾乎所有的元件都必須重新特製。
從兩個步驟來看到底這台機器多複雜:
如何產生 EUV(極紫外光)
(影片來源:ASML)
世上並沒有一種燈泡是 EUV 燈泡,所以需要特殊方法來產生。
為了產生足夠的 EUV,需要用雷射粉碎一個小顆的錫球。多小呢?
發射一個直徑為 3000 萬分之 1 米的小錫球,使它以時速約 200 英里的速度穿過真空。
然後用雷射照射那顆錫球兩次,第一次是加熱它,第二次是以約 50 萬度的溫度(太陽表面溫度的好幾倍)把它轟擊成電漿體。
這種轟擊錫滴的過程,每秒重複 5 萬次,就能產生製造晶片所需的 EUV 量。
我:『阿…阿?影片看起來不難阿,原來這麼難!』
要知道原本的光刻技術只需要一顆簡單的燈泡作為光源即可,EUV 光刻機的出現,相當於原本加減乘除突然變成高等微積分了。
難到爆!
要發明超高功率的雷射、要射的準、要有可以承受 50 萬度的器械等等。而且這個的精準度相當於在地球上拿著手電筒照到月球上的 10 圓硬幣一樣難。
光是為了讓雷射室的氣體不被錫滴本身的反光干擾,加上要讓雷射順利離開雷射室,廠商花了 10 年才克服這項挑戰。
如何將 EUV 光反射到矽晶片上
(影片來源:ASML)
聽起來很簡單,但一樣是難到爆的事。
因為 EUV 波長接近 X 光線,這樣的波長很容易被許多材料給吸收,一般鏡子無法反射。
製作反射鏡的是全球最頂尖的光學公司『德國蔡司』,蔡司開發了一種由 100 層的鉬和矽交替製成的鏡子,每層都只有幾奈米厚。
要做出來幾乎不可能,因為不能有任何的雜質,但蔡司最終還是做出來了。
蔡司還表示:『那些機械與感測器甚至可以導引雷射,擊中遠在月球的高爾夫球。』
剛剛才要從地球照手電筒到月球的 10 圓硬幣上而已,現在又要透過鏡子反射會地球的高爾夫球上了,看這個有多困難。
超強的供應鏈管理系統
EUV 光刻機每個零部件都堪比一台火箭,這邊只用了兩個最複雜的例子來說明。
每個部件的零件就高達 10 萬件,而且來自不同供應商,而最複雜的雷射有將近 46 萬個零部件。
花了數百億美元和幾十年才研發出來的,而且可以順利運作外,還能生產出符合成本效益的晶片,這對於所有領域內的人來說都知道這是一個奇蹟。
ASML 厲害的地方就在於供應鏈管理能力,ASML 的商業關係網路就像一台精密儀器一樣,由數千家公司組成調整的系統,ASML 本身估計只有生產 15% 的元件而已,其它都是採購來的。
ASML 的執行長說過:『你們不守規矩的話,我們會直接把你們的公司買下來。』
每台將近 2 億美元的成本,是世界上最貴的機台,如果操作人員沒有接受 ASML 的專業訓練根本不可能使用。
所以只要購買 EUV 光刻機就會送數名專業操作人員,直到機台壞掉。
由此可見,光刻機不可能由任何一個國家單獨製造,ASML 的總裁評價說:『人們終將意識到,在半導體領域取得成功的唯一途徑就是通過合作,這只是時間問題。』
這個合作必須仰賴全球化。
Intel 的錯失
要知道 Intel 可是從 1990 年代初就投資了 EUV,上一篇的光刻機之戰開頭就是代入 John 及葛洛夫兩人對於摩爾定律的重視及光刻機的研發的投入。
真的非常可惜,2010 年時,歷經 30 年 EUV 光刻機研發成功了,但也是 Intel 成功的時候,整個組織也在邁向官僚化。
要轉變製程方式還要購買 EUV 光刻機太花錢,加上資源分配不均等問題,最終 Intel 錯過了 EUV 光刻機,也錯過了 iphone 訂單。
結語
ASML 是荷蘭公司,目前也只有他們能夠掌握 EUV 光刻機,但他們的護城河是用『數十年的時間』+『全球化供應鏈管理』+『數百億美金』所打造的。
回頭看就能知道為什麼中國做不出來 EUV 光刻機,因為要打造 EUV 光刻機的成本太昂貴了,回到當初也沒有人敢保證這能成功做出來,對大家來說都是奇蹟。
回頭看 ASML 這些供應商,有很大比例都來自美國,所以如果今天美國限制出口重要材料到 ASML,一樣會導致 EUV 光刻機難產,這也是為什麼美國能輕鬆拿晶片掐住中國。
下一篇開始更深入解讀相關的地緣政治。
遵循8/2法則,倉鼠將8的知識,讓大家可以用2的時間就快速了解,實在太讚了
不如說中國是偷不過來
太多潛移的知識無法複製,不能像蘇聯作出原子彈那樣靠間諜製造。
真的走投無路想要做的時候也為時已晚,不如拍"我的中國芯"實在