六、系统介绍一下清华的光源和光刻机——SSMB-EUV需要的是商业模式的创新
无论是华为的Mate 60 Pro还是光刻机,对于普通人来说,如果没有专业基础的话,无论怎么科普都是难以说清楚的。媒体上谈这些问题的人几乎都是外行,因此存在的错误看法非常多就是很自然的事情。本文也并不试图通过科普让人们明白Mate 60 Pro的技术内容以及EUV光刻机的原理,我只想以此为契机从有可能让普通人都看懂的技术哲学角度,澄清很多流行的错误看法。如果人们连技术哲学角度的东西也可能看不明白,那我就首先说一些结论性的东西吧:
(1) 高端产品的本质不是因为技术上更难,而只是因为市场空间很小,一般人没机会去做。请记住一点,对于搞技术的人来说,难者不会,会者不难。也就是说,凡是认为EUV光刻机和芯片很难的,唯一能证明的结论是说这个话的人不懂这个技术。与人们普遍的认知完全相反,很多所谓高端的东西从纯技术上说反而更简单。
(2) 一切技术都是一层窗户纸,一捅就破。所谓更难的技术,最多只不过需要多捅几层窗户纸而已。中国早就具备芯片业所有领域所需要的技术,唯一缺的只是一个市场应用的机会而已。
(3) 中国芯片业能够获得全面突破的最大功臣之一是特朗普。因为他给了中国芯片业全产业链系统应用的机会。
(4) 中国的公知群体对中国科技发展歪打正着做出了非常巨大的贡献,并且是作用太过于巨大,大到出现其他严重问题的程度。
(5) 中国芯片发展目前最需要的是技术工艺的突破,是工匠精神,而不再是能写论文的理论传统。
(9) SSMB-EUV真正带来的不是中国可以做出EUV光刻机,不是光刻厂,而是在IDM、Foundray、Fabless之外可以创造出全新的“EUV产业园”的商业模式。商业模式的创新才是最重大的创新。这可以带来对全球芯片产业链双重降维打击的效果。
(10) 快则2027年左右,最迟2030年前,整个美国、欧洲、日韩包括中国台湾的芯片业将全军覆没!你没看错,再重复一遍,是他们全产业链的“全军覆没”!
(11) 华为Mate 60 Pro线S芯片,不是中国已经具备7纳米或5纳米全国产的生产工艺,而是卫星通话功能。什么意思?马斯克的星链彻底完了!
在谈什么是高端产品之前,我们先要说另一个问题:为什么战略上要藐视敌人?道理很简单,只有战略上藐视敌人,你才能敢战。由此也就明白,为什么总有很多人不断地在谈EUV光刻机难点在哪里。设想一下你在战场上,面对敌人的进攻,然后来一个大V说:
“对面的敌人太强大了,他们的火力根本就没遇到过对手。对手的武器是花了20年才研发出来,根本就是完全超出常人的想象。所有那些说可以战胜这样对手的言论全是不负责任的忽悠,是害死人,是对士兵生命的不负责,是收智商税。所有说可以一战的人都该闭嘴。
这些投降派的套话是不是听着很耳熟?听着好像都正确的样子对不对?很多不明真相的人也受影响照着这样的口气在宣传。觉得这样说才客观,才显得自己老成持重。但这样说的结果是什么?那就是要么逃跑、要么投降呗。
当然,我们的确要客观地认识到,如果真的确实与对手差距太远,真的是不能一战,那么正确的决策的确就是避战和暂时撤退。的军事思想也是打得赢就打,打不赢就走。等积累实力可以一战了,再杀回来不迟。
那问题就在于:我们今天在光刻机领域是否具备一战的实力了?这就需要对双方实力对比进行非常客观地、全面地评价和分析,而不是单纯地仅仅从对手武器装备本身来谈它的实力大小。一切实力都是相对的,是双方实际对比的结果。所以,投降派的第一个错误是只从对方的角度谈问题,而不是深入进行双方的实力对比分析。
另一方面,战略上藐视敌人,当然不是鼓励盲动,而是在战术上要重视敌人,不是随意地乱来。那样导致失败反而会打击自己的信心和士气。那如何在战术上重视敌人呢?首先你得懂行,知道如何对付敌人,知道如何打胜仗,自己得能够给出解决问题的办法。这里就是投降派的第二个问题所在,他们只是说问题有多大,事情有多难,但你懂怎么解决这些问题吗?你提出了如何解决问题的思路了吗?解决问题,远比提出问题重要得多。如果不能解决问题,只是在那里说问题有多难是没有意义的。只从解决问题的出发点来谈问题才是唯一有意义的。如果你不懂如何解决问题、不懂行,就没资格来说问题有多大,技术有多难。
中国现在光刻机领域是否有一战的能力?20年前的确是不行的,10年前也相对较弱。但经过几十年的技术积累到今天,已经有一战的充分实力,这就是对双方实力客观的评价,是战略上的基本判断。我是干了一辈子技术的,当然知道技术肯定会有难点。但我更是解决了一辈子技术问题的人。你光说难没用,你得懂怎么解决问题。不存在技术难还是不难的问题,只存在技术能解决还是不能解决的问题。一切不是谈技术怎么解决的,都是忽悠,都是外行。
如果是在战场上,在可以打赢的战役里,战前却不断地说敌人如何如何强大,如何地难以战胜......这样动摇军心和士气行为会是什么结果?是需要被就地执行战场纪律的。
中美芯片领域已经不是一场正常的市场竞争,而就是事关两国生死,事关双方未来百年国运的战争,并且是终极的战略决战。
准确的说法是:所谓高端产品,是市场空间小,技术上做起来却很可能更简单当然也可能更难的另一类低端产品。也就是说,是否高端并不是一个技术问题,而主要是一个市场空间大小的问题。
市场上的低端产品技术上却很可能更复杂,做起来更麻烦。举例来说,通信里的接入层设备或边缘设备一般价格都相对较低,被看作是低端产品,但事实上它们做起来更复杂。因为需要兼容的接口和协议更多,需要满足的需求更多,应用环境更复杂,变化情况更多。而核心网设备往往远比边缘设备技术上简单得多。但边缘设备应用量更大,做的人多。绝大多数厂家之所以做不了核心网设备,不是他没那个技术能力,而是没那个市场机会。核心网设备市场空间极小,能有机会去做的人太少。核心网设备卖的价格比边缘设备高得多,当然不能说因为它技术更简单所以要卖得更贵,也不好说因为市场空间太小所以要卖得更贵、客户您就多分担点成本吧。所以,就是这个专业领域的人,也一定会说因为它技术更高端、更难。否则怎么能卖高价啊?说它技术更难也不是没道理啊,你看它们技术指标都是最高的,不是高端技术还能是什么?你是这个行业的人都不一定搞得明白这些潜规则,不是这个行业的人就更搞不明白了,更别提普通人和媒体上的大V们。但是,从机械技术上说,造大型机床比造小型机床更容易,造船比造汽车容易,造汽车比造机械手表更容易。不要认为技术指标更大就以为它们是更高端,技术更难。
技术当然有难易之分,但我个人认为在整个IT业的经历中遇到的技术最复杂、最难的电子设备是模拟彩电。我谈的关于IT业里的看法当然不一定100%都对,但是能够挑战我在IT业观点的人,谦虚一点可以这么说:全世界加起来一只手可以数完。因为一方面我创立的第三代科学就是全科型的,可以用它来很容易理解人类当代科学文明的一切领域。顺便说一下,我主笔撰写的分子生物学领域的《免疫磁珠法富集技术规范》团标于2023年4月6日由中国出入境检疫检验协会正式颁布执行了。我2016年初即预测纯电动将一统天下,当时能理解的人聊聊无几,但今天怀疑的人已经不多了。我对元宇宙只是一个什么都不是的概念炒作、3年前社会最悲观的时候对中国芯片产业几年内就会全面翻身的预言无一不准。尤其对手机电脑的一再长期推荐,在华为Mate 60 Pro中已经成为现实。另一方面,IT业就是我的本行,我在这个领域差不多干了一辈子,可以称为IT行业黄埔军校的高校、设计院、企业等都在我个人学习和职业经历中。这个行业里顶尖高校企业运营商里的技术骨干见了我都得叫一声大师兄。我不仅做过硬件、软件研发。我对这个行业的技术理解是达到什么程度?是它们如果有毛病我可以把它们修好。看完本文的一些具体案例后人们将有更深的体会。
为什么说模拟彩电是最难的?全世界工程师们花了30多年时间才攻克相关的技术问题。其他一切技术在我看来基本都可以用比较简单或简单之极来形容,包括EUV光刻机,与模拟彩电的难度根本不在一个量级。EUV光刻机才花了几年时间就做成了?ASML也就花了十年而已。如果是中国来做,从头开始最多五年也就应该可以开始整机联调了。
这个可能与大多数人的直觉相反,我们感觉做彩电很容易,那是因为太多中国企业已经会做了。我们会了,你就觉得不难了。所以,什么是高科技,高端技术?其实在很多中国人的潜意识中是这样:中国人会做的,就不算高端技术;中国人还不会做的,哪怕是很简单的东西,那也是高端技术。
有些人不断吹嘘德国用于EUV光刻机的镜片精度,如果放大到整个德国的面积,平整度只有1毫米的起伏。但你这么说没用,你得比较一下中国技术水平是什么。代表性的中科院长春光机所的技术水平是什么样的?造的镜片如果放大到整个德国的面积,平整度是多少?其实与德国技术水平差不多。一旦你了解了这些情况,你还认为它算高端技术吗?
美国的锁眼卫星Kh-12分辨率小于0.1米。中国长光所具备生产4米直径的碳化硅镜片。其官网上介绍这是目前世界上口径最大的碳化硅镜片,其实已经可以生产出世界上同等条件下分辨率最高的遥感卫星。
所以,中国在光学系统上的技术水平与世界最顶尖水平已经非常接近。可能会让人疑惑的是:如果去检索长光卫星公司已经商用的卫星技术资料(2023年1月为IPO提供的公开资料),会发现他们的最高分辨率为全色0.75米、多光谱4米。但是,另外一些介绍的技术内容是这样:“早期的长光卫星重量为400公斤其成像分辨率为1米;经过数次迭代后,目前卫星在保持1米分辨率的同时重量已经降到了40公斤;现在长光卫星还准备在保持既定分辨率的同时将卫星重量降到18公斤”。这是什么意思?就是长光卫星公司的商用产品的技术进步主要体现在保持一定可用分辨率水平前提下不断地降低成本,而不是单纯地追求最高分辨率。顺便要说下中国的法律规定,超过0.5米分辨率的卫星图像在中国是不能公开的,只能用于军用。所以,如果是开发民用卫星,超过0.5米分辨率技术水平已经没有民用的市场意义。这就不是能不能做的问题,只是做了有没有意义、有没有必要去做的问题。
锁眼卫星Kh-11使用的是柯达2.4米碳化硅镜片,仅仅是磨制的时间就长达半年多,一枚Kh-11的重量达20吨,成本高达50亿美元,与生产一艘核动力航母的价格差不多。Kh-12技术上改进了很多,效率也提升了,采用的是3米直径的镜头,重量为17吨,价格为15亿美元。为什么这么贵?仅仅是技术更难吗?是但也不完全是,主要就是产量实在太少了。另一方面,美国也是采用成本极大化,指标极高化的思路在做这个卫星。因为他一定要当老大,在间谍卫星这种技术上一定得不惜一切代价地争第一。能做出什么技术指标是一回事,能不能用经济的成本去做出来是另一回事。至少锁眼卫星的这个指标不是用经济的成本做出来的。
长光的光学系统技术可针对性地开发用于EUV光刻机的技术。他们在2008年承担了国家02专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”的“极紫外光刻关键技术研究”项目。这个项目在2017年6月21日就召开了项目验收会。需要注意的是这个项目就是EUV光刻机的关键技术,是在美国对中国发起芯片科技战之前近一年就已经完成验收了。而且早在2002年,长光所就已经研制成功国内第一套EUV光刻原理装置,实现了EUV光刻的原理性贯通 —— 备胎早就在备着了,你以为是在美国挑起芯片战以后才开始做准备的吗?这些都已经是公开的信息,不是什么秘密。
更重要的是,EUV光刻机是全球学术和行业领域研究了几十年,大量问题都已经是成熟和稳定的了。ASML在2010年就已经推出了第一台EUV光刻机,2014年推出第一台可用于实际芯片生产的EUV光刻机,到现在已卖出近2百台。很多问题已经不需要我们从头做起。例如业界花了很长时间才确认13.5nm极紫外光才是合用的波长,这样我们就至少不用再费事去试18纳米、20纳米能不能用对吧?直接奔着13.5纳米去就是了。
会的技术就不算难,缺的就只是一个市场应用的机会而已。所以,这就是为什么说特朗普是中国芯片业全面突破的大功臣之一原因所在,因为是他给了中国芯片业全产业链市场应用的宝贵机会。
我们经常在娱乐业听到这样的故事:有很多明星本来是根本就没有出头之日,因为有原来的主角在,根本就没有替补们上场表现的机会。但某一天主角生病了,不得不找替补上场。结果替补上场后一鸣惊人,红遍天下。特朗普就是那个强行拦住原来的主角,甚至原来所有正式的名角配角都不让他们上场,给中国大量的替补们纷纷登场机会的人。中国的替补第一次没唱好,还继续拦着,一直到中国替补们全成主角名角为止。真的是太好了,这世界上哪里还有比特朗普对中国芯片业更好的大好人啦!拜登上台后特朗普的很多政策他都改了,但唯独特朗普开创的全面支持中国芯片业替补转正的事业他不仅不敢改变,还得不断地继续强化支持力度,一定要把原来中国之外的主角名角全都搞死为止。最近美国也不断发现他们的制裁没起到效果,但美国议员们支持中国芯片发展的决心是坚定不移的,无论有没有起到作用还是要坚持制裁,并且还要更加极端地加大制裁。太好了,实在是太好了。这就是不让中国替补把美国芯片全替完决不罢休的架式。
为什么中国的公知们对中国科技发展的贡献巨大?并且是太过于巨大,大到出现另外的严重问题的程度?因为中国的公知群体是绝对不允许中国存在任何不如其他国家地方的。
这里存在一个结构性的问题:美国及欧洲环境下骂政府就是只是要表达一种的权利,他们不是真的想要去解决什么问题。骂是一种权利,一种政治正确,或者说一种需要享受的本能。解决被骂的问题不是目的,不是他们的价值观。骂本身就是目的,就是价值。他们甚至不希望问题解决,因为如果问题解决了,他们还得费事找另一个理由去骂。但中国不一样,中国政府得是为人民服务的,说了有问题,尤其是有严重的、会在国际上丢脸的问题,那一定得解决,不赚钱也得解决。这么搞到最后结果是什么?中国的公知们也很累,远比西方媒体的公知们累多了。西方媒体基本上很多年骂的问题是一样的,骂的模式是一样的,几乎不用怎么动脑子,但中国的公知们不同,得不断找到新的技术缺口去骂。要做中国的公知还是需要一定技术含量的,因为得不断地创新。中国政府也很累,一被骂就得真解决问题。这么互动下来,所有但凡有点科技含量的东西全被中国干完了,那其他国家的人还怎么活?
光刻机行业每年全部加起来销量有几台?2020年,全球所有光刻机销售加起来的总和是413台,销售额全部加起来的总量是134亿美元,就算按现在汇率7.3计算,合人民币也就是978亿。如果全部由中国企业来做,价格至少得下降为原来的三分之一,大约在330亿人民币。2022年全国工商联中国民营企业500强的营收门槛是235亿。也就是说,如果中国用一家企业把全球光刻机行业全吃光,也就刚刚够迈入全国民营企业500强的门槛。如果是几家来吃,一家都进不了500强。在上面数量中,EUV光刻机才31台、2021年41台、2022年40台!全中国14亿人中有那么多人就为这每年不到50台销量的破东西犯愁。整个美国那么多愚蠢的政客就是要对中国限制这每年不到50台销量的产品,硬要逼着中国把这个东西做出来。中国做出来这个产品,本身也卖不了几个钱,原来做这个的ASML以及尼康、佳能做光刻机的部门也肯定全要被搞死了。如果大家按市场经济自由贸易原则行事,中国干嘛要动员全国的力量去做这种每年最多只能卖几十台的产品?
芯片是一个牵涉面极广的产业,涉及到的产品远不止是光刻机。但大多数配套的都是这种销售量极少的产品。再提一个可能关注的人极少的公司——中巨芯科技股份有限公司。该公司成立于2017年12月,请注意这个公司成立的时间点刚好是在美国对中国发起芯片战之前不到半年。它是由浙江巨化股份有限公司和国家集成电路产业投资基金为主投资设立,总部位于浙江省衢州市。企业查询网站上获得的公开信息为注册资金:110795.7万元人民币。公司董事长童继红也是浙江巨化股份有限公司第七届董事会董事,巨化集团有限公司副总工程师、创新发展部部长。这个公司的产品就是芯片生产行业需要用到的电子级氢氟酸、硫酸、硝酸、盐酸、氨水、缓冲氧化蚀刻液、硅刻蚀液,高纯氯气、氯化氢、六氟化钨、氟碳类气体等以及HCDS、BDEAS、TDMAT等多种前驱体材料。用于芯片生产过程,这类化学品每年的需求量基本都是多少吨来计算。而对于化工行业来说,如果不是百万吨级规模的,哪里好意思和人讲?2022年7月11日,中巨芯成立后仅五年时间就提交上市申请,并且于这个月初的9月8号在科创板正式挂牌上市。2019年、2020年、2021年、2022年,该公司营收分别为3.3亿、4亿、5.66亿、7.99亿元。
浙江巨化股份也是上市公司,2022年营收为214.89亿元,其产品主要是普通化工产品如制冷剂、化肥等。中巨芯销售额仅为其3.7%,如果不是美国和中国的公知们往死里硬逼,巨化股份干嘛要去成立新公司做这种芯片生产用的、每年销量仅仅用吨来计算的电子级化工产品?如果你真要硬逼,那些所谓高端的电子级原材料,中国有能力生产化肥和其他化工产品的企业,大多数都有能力做出来。问题只是想不想做,有没有机会做的事儿。但还有些文章说中国企业做的这些产品都是低端产品,只能用于DUV生产线,而用于EUV生产线%还是由日企等垄断。但是,中国现在状况是一台EUV光刻机都进口不来,一条EUV生产线都没有,企业干嘛要去生产EUV生产线所用的电子级化工材料。能做制冷剂和农业用化肥的就能做DUV生产线的电子级化工材料,能做DUV生产线化工材料的就能做EUV生产线的。唯一需要讨论的问题只是原来的主角还让不让他上场。
中国的替补能跑龙套了,公知说表面看起来你能唱主角、配角、群演、跑龙套,却连个打灯光的都没有,前面都只是表演,打灯光的才算得上是个技术活。然后逼得中国替补把打灯光的活也干了。
公知们又说:你看导演还是人家的,剧务还是人家的,作曲还是人家的,写剧本的还是人家的,这才是最高端的领域......
我发愁的事情和所有外行人都不一样。如果站在上千年的时间尺度来看,中国与欧洲的贸易关系一直是“十船九空”——就是运过去十船货物,只能回来一船装上一点点黄金和白银,其他都是空的。以下是中国2022年按金额计算的前十大进口货物。
每年市场行情会有很多变化,但芯片和石油很长时间都是中国最大金额的两项进口产品。芯片每年进口额最高峰时超过3000亿美元,2022年接近3800亿美元。石油进口额2020年及之前高峰时超过2400亿美元,2022年因油价飙升进口额超过3300亿美元。两项加起来过去多年在6000亿美元左右,2022年更是超过7000亿美元。
但是,随着中国全面突破芯片全产业链技术,2030年之前芯片进口额基本上就会接近归零。或者芯片出口会远多于进口,从大额的逆差转为千亿美元以上的高额顺差。由于纯电动车的快速普及,石油进口未来将大规模地迅速下降,至少减少一半以上是肯定的。另一方面,中国新能源车大规模增长的出口,会使石油加上汽车原来的大额逆差变成大额的顺差。
太阳能、风能等爆炸性的增长(2023年中国光伏装机量可能达到2亿千瓦左右),不仅会使中国石油、煤炭、天然气等能源进口量从长期来看锐减,而且这个全产业链都被中国高度垄断的行业也会大量出口产生巨额的贸易顺差。人口的持续减少和农业技术的进步也会使排名第5位的大豆进口的增长势头逐步减缓,并最终会减少。
2022年中国对外贸易顺差高达8776亿美元。2023年在大家都在喊外贸形势不好的大背景下,贸易顺差还在增长。如果芯片和石油(包括相关的新能源车、风光等新能源)两大产业链由逆差转为大额顺差的话,在假设其他产品没有显著改变的情况下,中国顺差会达到1.5万亿至2万亿美元的惊天数值。美国在历史上工业生产最高峰时是二战及二战刚结束时,其对外出口占据全球贸易的20%。这是在极其特殊的、全球都依赖美国生产的物资支持世界大战的条件下才实现的。但中国现在出口占世界贸易的比例已经达到15%了。这可是在和平时期自然达到的比例,还往哪里增长?
现在还有人在叫嚣中国的高端机床比欧洲、日本落后50年,省点心吧!全被中国人干完了,你让西方人还能拿什么与中国人做生意?
我也爱国,但也不能像中国公知们爱国爱到这种极端的程度,非得把别人但凡有点活路的产业全搞死才甘心吗?
中国的公知们也很委屈:这能怪我吗?你看美国的领导们不断地要找理由制裁中国,这些骂的理由也不是我找的啊?有可骂的地方不骂,我也受不了啊!
为什么中国的公知们对中国科技发展起到这么大促进作用,里面很多人也号称他们是真爱国的,但却得不到人们认可呢?因为他们内心深处真正的目的和难以改变的本性是为了极力打压中国搞科技发展的信心,只不过打来打去实际起到的作用只是在按摩和针灸而已。虽然歪打正着,但我们未来的发展不能靠这种“歪”和“邪”的路径是不是?所以,不能提倡,也就不会去鼓励。中国真不想去什么事情都做,也不想把西方的芯片产业全产业链地、甚至连边边角角一点都不留余地全干光。
我们拿媒体上算是相对非常专业的一篇文章来分析一下它错在哪里,以此使人们对什么是真正的技术有更清晰的了解。2021-07-30 06:40·Jim博士在今日头条上发表的“解读国产光刻机困局(九):哈工大的EUV光刻机光源”。该文原文的链接附在本文最后[10]。为什么说这篇文章还算是相对专业的呢?因为该文作者的确深入研究了哈工大在DPP-EUV光源上的论文、专利,说话和判断都是有确切出处的。该文的基本结论是什么?主要是以下几个:
第一,2018年12月哈工大论文中13.5nm放电Xe等离子体极紫外光源(DPP-EUV光源)的输出功率只有0.1W(有论文截图为证),实际上掌握的只是十年前(1998年)美国Klosner研究组的DPP技术。早在2003年,Xtreme公司利用Xe气在频率1 kHz条件下放电,研发出了XTS 13-35 DPP极紫外光源样机,该样机在2π立体角内获得35 W极紫外辐射功率。当前ASML的LPP-EUV光源的输出功率为500W。以此功率比较来显示哈工大在EUV光源技术上落后的程度。并且该文在一开始还搞了一个投票,要读者去猜测哈工大的DPP-EUV光源输出功率是多少,从0.1W到200W给了五个选择。
第二,02专项依然以最落后的Xe气等离子体DPP技术作为攻关课题,这只是第一代的EUV光源,而现在已经在发展的是第四代。
第三,大多数技术仅仅停留在2000-2005年这一个时间节点上,也就是说,我们并没有开展任何EUV光刻机产业化的组织和能力。
以上说法有道理吗?当然有道理了,他在文章中全是直接引用哈工大的研究论文和专利,而不是一般的媒体文章连消息来源都没有。后面还很专业地给出了9个参考文献的链接。这个文章作者以博士自称,仅从文章本身写作的专业素养来看,自称博士应当算是名符其实的。但是,我想告诉读者的是:这个作者只能算初懂技术,尤其是对中国的技术发展和科技发展一般规律理解很浅,尤其在实验室里待的时间很有限。
首先分析下为什么中国能以技术发展方向上相对较弱的判断能力,却在技术方向的把握上几乎从来不会出错的原因。道理很简单,因为中国有超强的规模优势。我一再强调的中国规模优势是这样:
中国人口是“美国(3.33亿)+欧盟27国(5.1亿)+英国(0.67亿)+日本(1.256亿)+韩国(0.52亿)+加拿大(0.38亿)+澳大利亚(0.257亿)”,然后还富余出半个多欧盟(2.587亿)。再简化一下就是:中国人口是整个西方发达国家加起来的总和,还富余出半个多欧盟。如此强大的市场规模已经足以产生完全不同的经济和科技发展的规律。
所以,中国往往采用的策略是不做技术方向的判断,或只做很浅的判断,排除明显不适合的技术路线,然后其他剩下的所有方向全都安排人去低成本跟踪。最后让市场去选择最正确的技术方向。这使得中国在技术方向的把握上几乎从来不会出错,尤其不会错过任何发展的机会。一般人只是看到我们搞成功了的东西,还有很多没干成的,甚至于没干成现在还有人继续在干从而一般人根本不知道也不了解的技术。例如德国、俄罗斯曾干过,后来下马的地效应船,中国现在还有几拨人在干,即使现在没一家干成,未来能不能干成现在也不好说。所以,不要以为DPP是第一代技术哈工大去做了就是什么大不了的事情,从第一代到第四代甚至说不上第几代的创新型EUV光源和EUV光刻机中国全有人在干。
长光所官网上介绍的开发成功LPP-EUV光源原理样机的介绍,转换效率为2.6%。这个就是ASML现在采用的技术路线。
清华在搞的SSMB-EUV光源技术,国外也有一大拨人在研究。只是国外只有ASML一家在做EUV光刻机,如果他不用某个技术方案,那么其他国外研究机构就最多只是搞下学术研究而已。但中国不同,所有可能的EUV光源技术方案中国都有人在搞,可能在EUV光刻机上又是一个群体突破的局面,几种EUV光刻机同时搞出来。这个并不是EUV光刻机的特例,中国在几乎所有技术上都是如此。例如:
几乎所有新能源汽车路线(纯电、混动、氢燃料电池)中国都有补贴支持。在此同时,对燃油车也不时有支持啊!例如为汽车下乡提供税收上的优惠,就没有限定是新能源车还是燃油车。
所有太阳能技术方案中国都有人在做,甚至所有光伏方案(单晶、多晶、薄膜)中国也都有人在做。有做成的,有没做成的,有没做成暂时不做的,有没做成还在做的。各种光热技术,塔式、槽式、碟式、菲涅尔式也都有人在做。
所以,如果你只是一个EUV光源的专家,是不可能看懂中国EUV技术和产业发展方向的。中国不可能在技术方向的判断上出错,如果错了,那就是整个这一技术领域根本就不可能成功,那样的话别人也成不了。所以也没什么可担心的。
中国原来大量的科技项目采用的是一种跟随型策略,就是以最少的研发投入跟踪各个技术的发展,不要被拉下太远了。02专项也是这种政策下的产物。这是准确理解2018年12月哈工大的EUV光源0.1W输出功率的关键。因为02专项的时代背景决定了,它本身只是一个技术跟踪为目的的专项,并不是真的以研发一台实用的EUV光刻机为目标。所以,从技术上验证相关的原理就是其主要目的。这也是上面第三个判断认为中国的工作只是停留在2000-2005年技术水平上的原因所在。在研发经费非常有限的前提下,如果是你来承接这一项目会如何做?那就是功率尽可能小,只要原理上能证明跑通就可以了。因为功率足够小,研发成本才能控制在尽可能少的程度。从我们所讨论的Jim博士的文章中引用的数据来看,即使是ASML最领先的输出功率500W技术,其光源效率是多少呢?5%。请注意:对此不同来源资料上说法不一。也算是比较权威的赵午教授(杨振宁的弟子,现斯坦福大学教授,最初与清华大学联合推动SSMB-EUV实验的人)的讲座(后面参考文献链接中)中说只有5W,甚至远小于5W。而就是与赵午合作开发SSMB-EUV的清华大学唐传祥教授的论文说“产业界认为 LPP 光源未来可以达到的 EUV 功率最高为 500 W 左右”。他没给出引用数据的出处。两个紧密合作的权威专家说法差这么多,我就不好说什么了。如有哪位高手知道原因请给个回复,先谢过。不过这个区别并不影响我们此处的一般性技术讨论的本质。
即使ASML的LPP-EUV光源,实际产品最初的效率也只是1%。如果哈工大要去制作一个100W输出功率的实验样机,输入的电源功率得准备多大?按1%效率来做计划得10千瓦——5个2千瓦电磁炉同时打开的功率。这么大的功率又得几千瓦空调来降温,否则实验室里的人都得烤熟了。如果再加上其他用电,实验室所需要的电源功率得多少?最起码20甚至30千瓦以上。ASML的EUV光刻机仅仅是EUV光源系统输入功率就在40千瓦以上。我们就假设按10千瓦输入功率算吧,一旦样机开起来,要解决的最麻烦技术问题就不是什么Xe如何产生等离子,而是如何散热和防火。
你见过实验室着火吗?我不仅见过,而且参加过灭火过程。那就只是一个输入总功率才几十瓦的视频处理板在拷机,同时最多200瓦的电烙铁也开着,只是中午实验人员去吃午饭,仅仅一个小时不到的时间实验室里没人就被烤着了。要是实验设备一开起来就是10千瓦的功率,加上其他的20至30千瓦,整个实验室和配电系统都得专门重建,否则每天不是跳闸就是火光冲天,还搞个鬼的研究项目。你只是要去做一下技术原理的验证,哪有钱去重建整个实验室、配电系统,散热系统,防火系统、大功率强力空调系统......一大半钱都得花在与EUV技术原理完全无关的地方。这些问题和EUV技术原理一点关系都没有,而是技术哲学的一般规律性问题。并且,功率大了以后,杂波干扰、非线性等工艺问题会更多。如果是以技术原理验证为目的,在一开始是要尽量避免这些问题,从而降低研发的难度。但在实际开发产品时,有更多经费了,才会去解决这些问题。
当然,如果只是前面这么说可能很多人还是有疑惑:如果技术一点都不难,为什么我们在那么多领域还是落后呢?只是没有市场应用机会吗?当然也不完全是。现在很多文章说 中国的科技研发效率是美国的至少5到10倍,但事实上中国的研发效率还有至少5到10倍的提升空间。原因何在?科技发展上的思维导向和理念问题。是没有分清两大类不同研发的本质区别 —— 项目研发与产品研发。
我曾写文章谈过另一个被认为特别难的技术,就是碳纤维。难到什么程度?中国过去的国防科工委和后来的科技部等部门,组织国家级相关领域最强的技术力量联合攻关了40年都没有突破T300。但知道这个技术最终是靠谁获得突破的吗?是山东威海一位初中学历的村支书陈光威。可惜这位中国科技界的老英雄在他创立的光威复材(300699)上市前仅半年长期劳累过度因病过世了。我国现在大量最尖端的装备上用的碳纤维大部分都是光威复材在供货,是不是很意外?我写的介绍陈光威的文章得到光威领导层的一致认可,认为是所有介绍他的文章中写得最好的。所以,我去威海时,接任光威复材董事长的陈光威儿子陈亮夫妇和光威的总经理、总工等领导层很热情地一起请我吃饭。
这个问题特别地奇怪,为什么中国那么多研究员、高工、院士、博导联合攻关了40年没有突破的碳纤维技术,一个初中学历的村支书却全面突破了?搞清楚了这个问题,就知道中国芯片业,乃至于当今中国科技全面突破和全面赶超美国真正需要的是什么!
请问整个芯片领域有哪一个技术是中国集结全国最精锐的力量连续攻关40年都攻不破的?没有吧?反过来,有哪一个芯片领域的技术不是一攻就破的?连续攻了40年都攻不破的技术,初中学历的村支书都给解决了,你还有脸说哪个芯片领域的技术是解决不了的?如果你再认为它难,不是它真的难,唯一的问题就是你那里缺一位“初中学历的村支书”。
为什么陈光威可以解决碳纤维的问题?从最一般的技术科学原理上来说,项目开发与产品开发之间有一些特别重要甚至是致命的区别:
项目开发是在尽可能良好的条件,尽可能简化的技术要求,尽可能松的成本约束条件下把最基本的技术原理跑通。
产品开发是在尽可能恶劣的各种实际条件,各种实际市场、可维护性、实际成本控制等需求条件下,让技术都能稳定地跑通,并且能够低成本地生产出来。
所以,项目开发主要是解决的是技术原理问题,基本上依靠的是该行业专家的知识。而产品开发中,本行业专业技术只是一个基础,它主要解决的是大量该专业范围以外的问题。以上是一切产品开发的共同规律。
以开发一个电路板为例,把电路原理画出来,并且制作出PCB板,把电子原器件焊上去,把原理跑通,这就是项目开发。跑通了项目就可以验收,然后写论文了。但要将它做成一个实际的产品,需要考虑的问题是板子上的所有器件在各种工作环境条件下电磁兼容问题,还有如果发热高了导致某些原器件寿命快速缩短,就会使平均使用时间很短,从而需要解决散热问题。要解决这个问题就涉及到风道设计,功率高的芯片在板子上如何合理的布局才更有利散热等。
另外还有产品运输过程中的抗震,使用中的可维护性,界面操作的美观和方便性。这些大多数与电路原理没关系,涉及的专业知识和解决方法大多不是电子电路本专业。可能是流体力学、热力学、机械结构、美学、人体工学、物流、供应链、财务、营销......
碳纤维的问题不是要解决碳纤维本身的技术原理,而是生产碳纤维过程中其他领域大量烦琐的技术工艺。
核聚变中的1.5亿高温反应核心如何隔离还值得在论文中吹一下。EUV光源的40千瓦功率如何散热虽然解决起来也很麻烦,但值得吹吗?有脸去写在论文里吗?要解决产品开发的问题,基本就是在解决这些论文里说不出口的琐碎工艺问题。
举一个我个人的案例。我曾工作的公司销售过一批20多套地面数字电视用的编解码器给美国。到美国实际测试以后,输出码率的频率除了极少数几台勉强合格以外,其他都稍微有一点点超标,大约就是超出标准要求的百万分之一的偏差一点点。麻烦就在于,设备如果联起来看电视一点问题都没有,所有工作全都是正常的,但就是信号频率稍微超标了一点点。双方的相关工程师,甚至双方总工不断一起开远程会议电视讨论、检查,搞了一个月都没查出问题在哪里,最后美方决定全部退货。说到这里,公知们是不是马上本能的反应是:你看,人家美国技术要求就是严格,就是看测量结果,一点超标都不允许。这个说法有道理吗?当然不能说没道理。我曾在饭桌上讲这个案例时到这里也有人马上提这个说法。但别急,请往下看。
我那时是全球市场总经理,到了美方要退货时,负责北美的市场经理才把这个事情告诉我,在此之前当然本能的反应是找技术人员去解决问题。但我听完马上就猜测出原因是什么了,我让她把美方所有测量数据结果发给我,然后我在手机的科学计算器上用统计功能不到十分钟算出均方差以后告诉她:是对方晶振买错了。应当买1ppm的,但对方买的肯定是2.5ppm的。所以全部设备的输出信号频率正好偏差都超出1ppm而都在2.5ppm以内。因为美国地面电视标准与别人不同,所用的时钟频率也不一样,他们设备上用的晶振也是量身定制的。所以我们为他们定制的设备中晶振中国市场上没有,是他们负责从美国买的。因为两种晶振标号几乎一样,只在一个细微的地方一个是“25”(代表2.5ppm),另一个是10(代表1ppm),如果不注意很容易就搞混了。我让他们按1ppm的要求重新买晶振把2.5ppm的换下来,这个问题就这么顺利解决了。双方技术人员对我能如此之快地解决问题也是震惊不已。为什么双方工程师甚至总工参加讨论了一个月没解决的问题,我十分钟不到全解决了?因为我过去曾经干频率计量有5年多时间,这个对于搞相应专业的人来说就是一个最最基本的常识,根本不好意思吹什么牛,更别提写论文了。但对于不是干这个的人来说,即便是其他领域的专家一时也可能摸不着头脑。—— 懂的人,就是一层窗户纸。不懂的,绕半天也摸不着门。
一个真正合格的总工程师是很难的,他未必要在主要专业的领域发过什么高水平的论文,但一定要对大量相关的其他不同专业领域的技术都在行。你要做EUV光刻机产品时,真正要解决的技术问题,主要都不在EUV主专业领域。要用EUV光刻机做出合格的芯片,就更是如此了。
能写成论文的技术都不值钱,真值钱的技术都不太说得出口。但凡真正搞产品技术的,都会明白我说的话是什么意思。听不明白的,可以证明一定没真正搞过产品研发。这是为什么华为曾说他们需要的不是“院士”,而是“院土”的真正原因所在。这当然不能说写论文就没价值,但这个价值评价是科学的理论标准(创新性、理论完备性、测量数据等),而不是社会应用标准。
这么说很多人可能还是感觉有点头晕,我们就来举一个具体的例子更清楚地说明 —— 假设一个博士要写论文谈迈克尔逊·莫雷干涉仪,与一个初中学历的村支书来谈迈克尔逊·莫雷干涉仪产品会是什么区别。
两路呈L形的垂直光路,中间呈45度角的分光镜,中间向下输出干涉条纹。如果将这个L形的光路转动90度,假设光速不一样的话,干涉条纹就会有移动。可以给出一个很漂亮的数学公式算出干涉条纹移动的距离是多少。是不是这样?
但是,如果真要做出一台迈克尔逊·莫雷干涉仪,得解决哪些工程上的问题?一个初中学历的村支书眼里的迈克尔逊·莫雷干涉仪会是这样:
因为这个实在太精密了,一些细微的振动都可能导致比上面计算的干涉条纹更大的变化。所以,最难的一个问题是怎么把各种振动干扰屏蔽掉。
上面这张照片是迈克尔逊·莫雷当年实际造的干涉仪。为了减少振动,他们把实现干涉仪原理的镜子放在一个很重的水泥台上——这个是惯性减振的原理。水泥台又放在一个水银槽里,这样转动不仅很容易,而且液体的水银也可以起到隔离振动的效果。然后,装水银的槽是一个大铁块,又是一级惯性减振。这个大铁块放在四个橡皮垫子上——弹性减振。
这些减震的原理并不复杂对不对?问题是:水泥台造多重?水银是多少?大铁块多重?选择什么样的橡皮垫?
可以像上面干涉原理那样进行计算吗?当然不是不可以,但可以告诉你不仅工作量极大,而且未必有什么用处。原因何在?因为各种减振的原理可能并不难,就是中学里学的牛顿力学中的内容,但就算你计算了也不可能显得出博士的水平——这是第一个说不出口。更重要的是,一旦考虑到是在各种实际使用环境中的振动问题,需要假设振动源的数学模型和数据。这几乎就是无穷无尽的。人在附近走动的话是一种模式,院子里一辆马车通过,院子外路上一匹马跑过,三匹马一起跑过......带来的震动情况都不一样,无穷无尽。对于惯性减振来说,一般重量越大减振效果越好。那就简单地做下计算,造一个200公斤重的水泥台试一下。结果一试,一个人在旁边稍微走动一下还能接受,两个人一起走就不行了。那加上2吨的大铁块和橡皮垫试试,效果好一点,但还是不行。那就索性造一个2吨的水泥台,5吨的大铁块,选效果更好的橡皮垫...... 有可能这样不断尝试了389次以后(这都是钱堆起来的),终于选择到一组各个参数的符合要求的组合。(注:以上数据只是举例说明,不是真实数据)
为什么要选这组参数?为什么不选1吨的?线吨的试过了,不行,原因就这么简单。以上这些说得出口吗?能写出数学公式推导一下以显得牛气吗?不行,只知道测量的结果那些参数下的组合不行,大多数真说不清楚为什么,也懒得去计算了,更重要的是大多数算出来的结果与实际偏离得根本就没法看。
有几个博士和博导谈迈克尔逊·莫雷干涉仪时,是谈它光路下面的基座怎么建的?所以你就只能写写论文,造不出迈克尔逊·莫雷干涉仪来。
这些问题都解决以后又会发现,这和台子上面装的是迈克尔逊·莫雷干涉仪还是什么量子纠缠仪根本一点关系都没有。甚至于你懂不懂光学都一点关系也没有。现在就该明白,基本上不懂碳纤维拉丝原理的初中学历的村支书把碳纤维干成,而那些研究员、博导、院士攻关了40年也干不成的真正原因是什么了吧?!
即使在今天,对中国科技发展有关键作用的人都还可能依然没充分理解 —— 有大量国家资助的研发从一开始就没区分清楚到底是要搞项目研发还是要搞产品研发,总在以发表论文作为验收标准。你要研发半导体芯片,除了最后规模生产时芯片良率的指标,有什么论文好写的?芯片良率是评价其资助合格和有效的充要标准——只要大规模生产销售中良率达标,其他一切就可以不用谈了。EUV光刻机又不是什么新东西,人家都已经搞出产品来了,还要写什么论文?
科技发展当然是需要有积累的,但最重要的一个问题是我们对科技的观念。居里夫人为了提炼出镭是自己动手在院子里架起一个锅,自己推着三轮车运矿渣来提炼。真正科学的研究也是需要很强动手能力的。对于今天的科技,更多体现的就是产品的突破,是解决大量工艺细节的能力。但我们对科学的理解太过于理论化了,大量学者和培养的学生动手能力极差。
再谈一个科学研究上的案例。2011年9月22日,英国《每日电讯报》报道:欧洲科学家在强子对撞机上发现超光速的中微子。这种颠覆性的发现无疑把整个物理学界震翻了,一大群学者赶紧写论文建立理论解释为什么可以超光速。一旦这个理论可以解释通了,那肯定就是诺奖级的成就。很多论文已经发到预印本网站上,还有无数的论文在准备中。当然不会真的有超光速。故事的结局:最后发现是连接GPS时间信号的光缆与计算机的接口松动,导致出现信号误差。—— 这能说得出口吗?获得一个真正可靠的测量数据是极为困难的,需要极强的写不成论文的动手能力。
再谈一个我个人的案例:我在做会议电视业务(当时是产品部负责市场营销的副部长)时遇到过这么一件事情,绵阳电信的会议电视系统装好后客户一直反映有问题。那就按一般遇到工程问题的处理程序这样解决:首先当地用服处派人,待了一个月没解决;然后派产品部门售后的水平更高的用服人员去,待了一个月也没解决;最后只能派相关研发人员待了一个月,还是没解决。前后来了三拨人,搞了大半年时间居然问题还没解决。我当时得知这个事情就很纳闷,有什么问题会难到这种程度?就和当地销售人员、用服人员一起去现场。结果5分钟内把所有问题全解决了。一个是所有终端视频质量都很不好,一看,当时用的松下摄像机,白平衡需要手动调节。我拿起一张A4纸对着镜头,一分钟不到把环回的视频调正常就可以了。告诉当地用服处人员就按这个方法把各地20多台终端全调一遍就可以了。—— 难者不会,会者不仅不难,而且可以秒杀。
另一个问题是主会场云台控制,时好时不好。这就是这么多人来了总是处理不好的原因——他们来的时候基本是好的。它是好的,你怎么查问题在哪里?所以待了一个月只能回去,而回去没多久客户用的时候又不行了。等另一拨人来了以后它又好了,来的人甚至都不知道该怎么描述问题,待在这里一个月它一直是好的,又只能回去。
客户还没把这个问题说完我其实就已经猜测出问题最大的可能是在哪里了。真正经验丰富的技术人员就会明白,大多数问题都出在单元之间的连接处:元件、器件之间的连接点,电子元件或芯片的焊点(虚焊等),还有工程中不同设备间连接的插接头等。真正是元器件和设备本身坏了的占比很少。这个主会场的云台控制是通过摄像机上的RS232口实现的。我到摄像机后面一看,RS232口的连线竟被拉成了垂直状态,线用线扎捆得很紧。这样摄像机运转的时候,RS232插针与插座就有可能接得上,有时又有可能连接不上。把RS232插头处的线松一下,留下一定的弧度,用小的平头起子把RS232插座拧紧,不到30秒,来了三拨工程技术和研发人员大半年没解决的问题就这么彻底解决了。所以,前面那个连接GPS时间信号的光缆与计算机的接口松动并不是特例,而是有普遍性的。不要去轻易幻想会出现什么超光速。以上这东西要写成论文递给Nature和Science,你觉得它会发表吗?但要想真做出质量稳定可靠的产品,正是这一类的知识技能才是最需要的。
系统介绍一下清华的光源和光刻机——SSMB-EUV需要的是商业模式的创新
本文不是要介绍这个SSMB-EUV光源技术的原理,而是让不懂这个技术领域的普通读者,尤其可能需要做出某种决策的相关人员(如政府官员等)对整个EUV光刻机核心技术,清华SSMB-EUV光源技术,EUV光刻机等有一个框架性的把握。
EUV光刻机涉及到几个相对比较难的技术领域:EUV光源、处理EUV光源的镜头、双工件台等。目前双工件台中国已经有成熟产品提供商,讨论这个问题的人很少,本文也不去涉及。主要的关注点是在光源和镜头上,其实这两个技术是有相关性的,是合起来一起提供最终符合要求的EUV光源。ASML的LPP-EUV光源技术为什么同时需要11块极高精度的反射镜?因为这个光源原始质量太差,需要11块反射镜不断进行滤波和光路的处理,才能最后符合EUV光刻的要求。
而SSMB-EUV基本原理是依靠加速器来产生EUV光,这个就是人类最早产生人工EUV光的路径。它产生的原始光源本身质量就比较高,所需要的镜头数量就可以很少了,最终可能最多3块就够了。
这个SSMB-EUV的原理最初是2010年由杨振宁的弟子,现美国斯坦福大学的教授赵午,与其博士生Daniel Ratner提出的(参见本文参考文献[2])。最初提出这个的目的是探讨新的加速器原理。但提出这个原理后5年多时间业界都没多大反应。
2017年4月,清华大学成立项目组开始SSMB实验的理论分析和数值模拟。7月21日清华大学唐传祥教授与赵午一起发起成立了一个团队,要实际去验证这个原理。找到了德国联邦物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)的计量光源实验室MLS(Metrology Light Source)合作,这是因为MLS的储存环在这方面最接近SSMB的实验需求。验证实验花了两年时间于2019年8月18日获得成功,相关论文于2021年2月24日发表在Nature上,具体负责做验证实验的是唐传祥的2015级工物系(工程物理系)博士生邓秀杰,邓是该论文的第一作者。论文题目是:《稳态微聚束原理的实验演示》(Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching)。如果真想深入了解这个技术的,不要去简单地看网络媒体上的文章或视频,而要去看这几个最主要的论文。本文后面列出了参考文献的出处。
参与这个实验项目的除了唐传祥团队外,还有德国柏林亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(Helmholtz-Zentrum Berlin,HZB)以及德国PTB的合作团队。
事实上,通过加速器产生同步辐射 (synchrotron radiation, SR)早在1947年就发现了,人工产生的EUV光最初就是在加速器上获得的。国际上研究同步辐射的很多,即使是在中国,第一代依托北京正负电子对撞机的北京同步辐射装置(Beijing synchrotronradiation facility,BSRF,1991年底建成),第二代的合肥光源(Hefei light source, HLS。1983年由当时国家计委批准立项。事实上是中国第一台专用同步辐射装置,1989年4月建成),第三代的上海光源(Shanghai synchrotron radiation facility, SSRF),目前正在北京怀柔建设的高能同步辐射光源 (high energy photon source, HEPS,就是那个现在照片网上到处误传的“光刻厂”)。原来并没有人深入想过居然要用加速器来作为光刻机光源的技术路线,因为这简直就是用洲际导弹打苍蝇的感觉。
网上到处传的“光刻厂”,事实上是2016年就启动的中科院HEPS。最初设计建造目的纯属为物理学研究建的大科学装置。当然也不排除作为EUV光刻机的研究基础。
无论赵午还是唐传祥,最初提出这个SSMB技术并开始着手进行验证的时候,主要目的也是加速器领域的物理学研究。但在实验研究进行到快一年的时候,川建国同志对中国的芯片战如火如荼地展开。中国大陆厂家所有进口EUV光刻机的商业进程全被封死,被逼得实在没办法了,很自然地,在清华项目讨论的时候越来越多的人就提到这个用于解决EUV光刻机的技术可能性。项目负责的唐传祥教授当然很快意识到这个问题,并且在后续的论文中明确讨论这个技术可能性。参见其与邓秀杰在2022年《物理学报》上发表的论文“稳态微聚束加速器光源”[3]。
所以,无论未来如何发展,尤其当SSMB-EUV真成功的那一天,我们一定要特别地感谢川建国同志。如果没有他,没人会想到EUV光刻机产业化领域还能这么干的(用加速器产生的EUV光进行芯片光刻在过去也有,但只是作为科学研究之用,基本都是手工极少量进行),即使想到了也没机会深入做下去。
2. 从EUV光刻厂到EUV产业园 —— SSMB-EUV的成功更需要商业模式的创新
在分析SSMB-EUV作为光刻机应用的技术及经济可行性时,唐传祥、邓秀杰在其论文中提到,产生SSMB-EUV光源的装置造价约在数亿到十亿人民币的水平,周长在100m-150m。这个造价比ASML的一台EUV光刻机还要便宜,或者在差不多同等的水平。
窄带宽以及高准直的特性可为基于 SSMB 的 EUV 光刻机的光学系统带来创新性的设计, 同时可以降低 EUV光学反射镜的工艺难度。
赵午教授在其演讲中提到一个SSMB-EUV光源装置可以输出多个线个),从而同时支持多个光刻机生产线。网上传出有可能支持十几甚至几十台光刻机。理论上说是可以做到的。
清华 SSMB-EUV 光源总体设计参数中输出的辐射波长为5到100纳米。这可以用于更下一代的6纳米EUV光刻工艺。
因此,网上盛传不是光刻机,而是光刻厂。但是,从目前参与论证这个技术的专业人员群体可以看出,可能企业界群体的人还没深度介入,或者说都还没反应过来。而参与论证的主要都是物理学者群体和政府官员。这就可能会带来我在前一节中提到的缺乏工匠传统的科技体制问题。
我们要想利用SSMB-EUV这个技术打赢这一场EUV光刻机战争,必须采用全新的商业模式。我们都知道,芯片生产从最初的IDM发展到后来的Fabless,这两种模式现在都存在。IDM(Integrated Device Manufacturer,集成生产商)是指具有完全的生产链和技术优势的公司,负责从晶圆生产到封装测试等整体流程,INTEL和三星等是这种模式的典型代表。Fabless(无厂商)也就是我们常称的代工模式,是指在芯片设计和封装测试环节专注于研发和设计,而将制造环节交由专业的芯片代工厂完成,以降低成本和提高效率。台积电是这种模式的先行者,并且取得极大成功。Fabless模式的出现是因应芯片生产设备的投资过快的增长,新生产线的投资巨大而产生的。这种模式又催生了大量专事芯片设计的企业,并且极大降低了芯片的进入门槛。
请注意,SSMB-EUV技术的出现,并且是出现在中国,会带来另一次芯片商业模式创新的重大战略机遇。这个远远比搞出EUV光刻机要重大得多。因为EUV光刻机中成本最大头、研发最复杂的就是光源部分。而有没有发现:SSMB-EUV这个技术天然地就把EUV光源与EUV光刻机分开了。
设想一下这种全新的“EUV产业园+无EUV光源光刻厂”模式,这将会具有何等强大的竞争力?
由国家如雄安投资建一个能支持比如20(甚至可达40)个EUV线束输出的SSMB-EUV产业园。
每个线束对应一个无EUV光源设备组成的EUV光刻芯片生产线厂房。免费提供的EUV线束通过租用“无EUV光源的EUV光刻芯片生产线”厂房来获利。和这种商业模式匹配的EUV光刻机产品本身是没有EUV光源的,只利用外接EUV光源进行生产。如同现在的各类电器产品,它们本身不带电源,只是通过公网电源插座获得电源来工作一样。而ASML的EUV光刻机就是一个自带柴油发电机的大冰箱。
一个20线束EUV光源输出的EUV产业园可以入驻一个、也可以入驻多个Fabless芯片生产企业,也可以入驻IDM生产企业。每个企业可以接一个或若干个EUV线束。
以上模式带来的结果是什么?EUV光刻机本来是极为昂贵的,昂贵的原因主要就是EUV光源。但现在EUV产业园把EUV光源搞成免费的了。无EUV光源光刻机的设备研发一下子就变得简化了很多,成本极大降低。EUV产业园不是什么高科技,就是一个工业房地产,中国政府太善于搞这个了。通过租用“无EUV光源的EUV光刻芯片生产线”厂房和入驻企业交税,轻松弥补EUV产业园投资。
还有一个更重要的现实问题:不要去轻易谈“清华的SSMB-EUV光刻机”。如果唐教授和邓博士他们只解决EUV光源还算比较现实,如果你要让他们把整个光刻机生产工艺全干完,99%以上的工作与SSMB-EUV原理基本上就没什么关系了。必须要清醒地意识到:他们一没兴趣去做这些工作,二也没那个本事。这得“初中学历的村支书”来搞,不能靠“院士”,得靠“院土”。
另外,既然EUV产业园里EUV光刻生产工艺这么便宜,还要搞DUV光刻机干嘛?原来之所以7纳米以上用DUV,7纳米以下用EUV,只是因为EUV太贵,而DUV更便宜。但现在EUV产业园里EUV光刻生产工艺比DUV生产工艺还便宜,为什么生产7纳米以上的芯片不直接用EUV产业园来生产得了?
为什么要这么干?因为SSMB-EUV要获得较好的经济效益,必须要支持的线束越多越好。可是这东西一套就可以支持ASML半年甚至全年生产出来的EUV光刻机的产能。为了保证产能的稳定,EUV产业园总不能只建一套吧!比如说遇到个什么火灾、自然灾害或者要停机检修等,那么大的产能,入驻产业园的那么多企业产能一下全停了,这个不行。所以要建就得多建几个EUV产业园。一个EUV产业园就可能把ASML一年生产的EUV光刻机对应的产能全干光了,中国要是这么多建个十几套、几十套,不仅把ASML彻底干死,其他低端光刻机哪里还有活路?
一旦将EUV光源与后续的芯片生产工艺分离,两者之间就需要有标准。又一个中国领先技术成为国际事实标准的机会。
所以,SSMB-EUV加上EUV产业园可以带来两次降维打击,第一次是用加速器做EUV光源,第二次是用免费EUV光源把所有光刻机都彻底干死。
当然,毕竟这种方案目前还是处在研发的阶段,还没变成现实。你也可以怀疑这么搞是不是真能成。但没关系,别忘了我前面所说的中国技术方向把握总是成功的原因,我们还有其他技术路线的EUV光刻机方案在搞,那就肯定会有一种、几种甚至全都能成,最后择最优而扩大之。
现在该理解为什么我会得出结论:快则2027年左右,最迟2030年前,整个美国、欧洲、日韩包括中国台湾的芯片业将全军覆没原因何在了吧!
现在大家都知道了,对方不会做出有效应对吗?但对欧美日韩来讲,谁来做EUV产业园?做了谁入驻?入驻了生产的芯片卖给谁?
如果你是电子电路领域真正内行的话就该明白,数字电路远比模拟电路容易得多。因为数字电路的晶体管只是工作在饱和区和截止区,它的线性特性、噪声等指标无关紧要。所以,你看日本、韩国、中国台湾等都能生产出数字芯片,中国大陆也一样。我在过去的文章中一再说过中国大陆突破这些技术太容易了。只是因为过去实在不愿意干这些工作,产品技术上有很多缺口,涉及的产品技术门类也比较多,受到美国制裁一时有点困难而已。
太多人讨论华为麒麟9000S芯片到底是在哪里生产的。但是,既然人家华为不愿说,我们就不该去追究。这里我只想说一个营销领域的故事:土豆刚传入欧洲时,有一个欧洲王国的国王想推广土豆这个农作物,以提高粮食产量。可是派出去搞推广的人说了无数好话,就是没人愿意干这个新品种。后来有个大臣想了一个办法,先在国王自己的田地种土豆,并且派出全副武装的士兵重兵看守,贴出严禁入内的告示。土豆收获以后同样派出重兵看护仓库,在最隆重的宴请中拿出少量土豆待客。这么严格禁止、重兵看护的结果是引起王国里无数人好奇。肯定是有特别值钱的宝贝才会如此对不对?有人就受不了诱惑进仓库里把土豆偷走了,居然还在仓库里发现如何种土豆和吃土豆的操作说明。然后呢?土豆就非常成功地传开了。
华为Mate 60 Pro非常领先的地方有三个:一是卫星通话,二是星闪技术,三是手机电脑。最后这个是我长期写文章极力推荐了很多年的技术,在华为这款新手机中已经变成现实。本文只展开讨论第一个卫星通话。因为其他两个可以称领先,但不能称遥遥领先。只有这个可以称遥遥领先。
先顺便提一下,我还是在20世纪80年代中期参加了中国第一批民用通信卫星地面站的建设工作。当时的邮电部建设了第一批四个卫星通信地面站:北京、广州、乌鲁木齐、拉萨,我参加了乌鲁木齐(在郊区一个叫八所的地方)和广州(在华南植物园往东几公里的地方)两个站的建设。这四个站使用的是加拿大一家叫“SPAR”公司(现在已经没了)设备,上海邮电一所的卫星射频放大部分,用的是磁控管技术,西安邮电工程公司施工,原郑州邮电部设计院进行的设计,我是去参加开通联调测试。后来又参加过很多这类卫星地面站的选址和开通测试。卫星通信有两种应用模式,一个是作为骨干通信网,需要卫星地面站进行转发。你可以把这种卫星链路看作就是一段光缆线路。从广州到北京的骨干通信线路可以通过光缆连接起来,也可以通过卫星线路连接。这种地面站很大,我当年参加的卫星地面站就是这种应用。地面站的抛物面天线(俗称“锅”)很大,直径都有6米,是用很多小的扇面拼起来的。这些小扇面俗称“西瓜皮”,仅说专业术语只表明你懂这个专业,能说“黑话”才表明你是这个圈子里的行家。使用的都是赤道上空36000公里同步轨道或称静止轨道的卫星。
另一种模式是作为网络接入,就是直接与用户终端进行连接。你可以把这种卫星看作就是一个移动基站。因为同步轨道卫星距离地面太远了,信号衰减很大。要直接与终端连接技术上是比较困难的。因此,原来这种通信方式一般就采用低轨卫星。最初是当年美国的通信巨头MOTO(现在这个公司还健在,只是已经退出公共通信领域了)主导的铱星、现在马斯克搞的星链等都是这种模式。因为低轨卫星与地球转速不同步,很快就会绕地球转一圈(一般也就一个多小时),所以要想与终端保持顺畅的联接就得很多卫星不断接力才行。铱星最初设计时是77颗,而星链居然设计了4万多颗卫星。
那么静止轨道卫星是否可以直接与终端进行通信呢?答案当然是可以的。这也就是一个无线年就开始投入使用的海事卫星通信系统(Inmarsat),就是直接将静止轨道卫星当成接入设备,直接与终端用户进行通信。另外还有瑟拉亚卫星(Thuraya)系统和中国的天通卫星系统。这种方式的好处是一个静止轨道卫星的覆盖范围非常广,因为它位置高。理论上三颗静止轨道卫星可以覆盖全球。问题只是两个。一个是信号衰减的补偿问题,另一个是通信容量问题。下面先来谈第一个:
因为静止轨道卫星距离地球太远,中间信号衰减极大,因此需要整个系统通过信号放大来进行补偿。实现这一点的途径从纯粹理论上说有这么8个:
(1) 卫星发射无源放大能力——通过发射天线) 卫星接收无源放大能力——通过接收天线) 卫星发射有源放大能力
(5) 终端发射无源放大能力——通过终端手机天线) 终端接收无源放大能力——通过终端手机天线) 终端发射有源放大能力
无论卫星还是终端,一般发射和接收天线都是共用一套的。所以上面实现途径可以简化成这样6个:
无论卫星还是终端,要增加无源放大能力怎么办?原理其实很简单,天线越大放大能力越强。因为天线越大,接收到的信号越多,这种聚集型放大才能获得更大的放大能力。但无论卫星还是终端的天线要做大都会受某些限制。卫星天线要做大,火箭发射成本会升高。终端如果要拿在手上的,天线做大就会带来携带方便性和美观上的问题。
静止轨道卫星还常用来进行卫星电视广播业务,直接与家用卫星电视接收终端通信。
这个是华为Mate 60 Pro的外观,与一个普通智能手机大致是一样的。我从开始干卫星通信已经快40年了,从最初6米天线和大块头的卫星电话终端,到现在居然把天线完全埋进智能手机里面。卫星通信终端要做到这个程度,在低轨卫星系统里一点都不令人奇怪,但静止轨道卫星居然也干到这种程度,的确让人有点惊讶。很多搞无线通信的资深专业人士与我都是类似的感觉。虽然从技术上说道理其实也很简单——终端天线做小了,即使再怎么精心设计,也难免使天线放大能力减小,那一定得靠上面6个途径中的其他5个途径来补偿。华为这个手机使用的是中国天通卫星系统的静止轨道卫星。所以,我们并不能简单地把这个技术进步功劳全归到华为头上,天通卫星系统的技术进步也是重要原因。当然,线 Pro能做到这个水平也是值得赞扬的,现在其他天通卫星通信的终端还是有一个大天线露在外面。
天通卫星的发展过程是这样的。2008年7月,受汶川地震的刺激,孙家栋、沈荣骏等院士,呼吁加快我国自主卫星移动通信系统建设,填补国家在卫星移动通信领域的空白。经过三年多的论证,我国首个卫星移动通信系统——天通一号卫星移动通信系统工程于2012年正式启动。
2016年8月6日零时22分,在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功将地天通一号01星发射入轨。天通移动卫星通信系统由中国卫通集团有限公司所属,中国航天科技集团所属中国空间技术研究院为主,基于东方红四号平台研制,地面业务由中国电信集团公司负责运营,与中国电信的地面蜂窝移动通信系统共同构成一个整体的移动通信网络。这个事实上已经是准6G的业务了。所以,不要说Mate 60 Pro是5G这样的外行线日报道,天通卫星移动通信业务首次由中国电信面向商用市场放号。目前天通在轨卫星有三颗。天通-01号主要覆盖中国领土和领海,天通-02、天通-03星分别在天通-01星东西两侧设置,形成对太平洋中东部、印度洋海域及“一带一路”区域的常态化覆盖。
从前面分析来看,Mate 60 Pro如果天线的放大能力的确减弱了的话,需要靠手机的发射器和接收器的有源放大能力来进行补偿。这个主要是靠手机里的射频放大芯片来实现的,主要就是氮化镓芯片。
说到这里,是否和前段时间中国限制镓出口联系起来了?所以,不要去瞎拆机。如果是真正内行的线 Pro不同的地方到底在哪里,宣传“遥遥领先”的到底是什么,就不要去关心麒麟9000S芯片。就算它做到5纳米显然也算不上遥遥领先。也不用去关心它是不是线年就上市了,现在实现5G功能怎么能算“遥遥领先”呢?真正算得上“遥遥领先”的,就是看它卫星天线是怎么设计、怎么安放的,在2G频点的天线无源放大倍数是多(用户发送频段:S波段:1980MHz-2010MHz;用户接收频段:S波段:2170MHz-2200MHz),射频接收和发射器件用的是什么芯片,性能如何。理解了吗?
前面我们讨论了静止轨道卫星作为接入的第一个放大能力的问题。另一个问题是在获得覆盖范围非常广这个优点的同时,也伴随着信道容量的限制。海事卫星系统只提供15万的用户容量。天通卫星移动通信系统容量更大,其通信容量为一颗卫星可同时支持5000个线万用户使用要求。业务速率为1.2kb/s~384kb/s。这么一看,数据业务速率属于2.5G时代的EDGE业务的速率,好像不算先进。但这个并不重要,一定要理解到,卫星移动通信本质上其实是一个保险业务,一般是用不上的。海事卫星主要就是用于应急通信和海上、荒漠地区的通信。一般在有人地区都有地面蜂窝移动通信系统支持,网速就是现在的5G速率。卫星通信在通信容量上不可能与地面的蜂窝移动通信系统相竞争,马斯克的星链也差太远。所谓应急和保险业务,也就是在特殊情况下用它来救命的。5G那么高的码率主要是用于“无聊业务”类的,比如刷抖音视频。都要救命的时候了你还刷什么抖音视频?
但是,如果是以业内被称为“专网”的商业模式运营的应急卫星移动通信系统,存在一个分担成本的用户量太少的问题。这样每个用户的业务成本就会比较高。但中国电信将天通卫星业务与地面的蜂窝移动通信融合在一起将会带来什么好处?既然卫星通信只是一个保险业务,绝大多数人用10块钱的月租费申请了这个业务也就是买个保险,平时是完全处于休眠状态的。
但是,这样的业务模型在过去大多以“专网”的模式运营,就是无论通信网、终端还是用户运营都是自成体系。无论铱星系统,海事卫星通信系统还是现在马斯克的星链系统,本质上都是卫星专网。专网会带来什么问题?就是无法充分利用其用户接入侧可以有近似无穷大的收敛比这个特性。只有经常要使用这个业务,并且用得起的人才能申请成为正式客户。终端都是定制的,销量极小,价格也必然会很高,同时品种也会很少。中国电信、中国移动和中国联通等被称为是“公网”,所有人都可以使用,用户量极大,终端品种选择极多。中国电信融合了天通系统,就相当于提供了准6G业务。这样卫星移动通信就变成只是公网的一个新业务品种而不再是卫星专网,这样无穷大的收敛比业务模型就可以实现。所以,无论星链系统技术上多么忽悠人,至少在商业模式上都是一个落后的专网概念的东西。
既然卫星移动通信必然是一个保险性质的、收敛比接近无穷大的业务,就应当用尽可能经济简单的卫星通信系统,并与公网融合来实现。全球可以发展数以十亿计的用户,但任何时间段真正在网的用户也就几百万,同时在进行通信的用户也就几千。99.9%以上的用户是处于休眠或离线块钱的业务租金,中国可以有几亿人不会太在意。真遇到洪水、地震等造成地面移动基站不通了,你有这个业务就可以最起码向外界发个短信告知你的状况、你的位置,这样可以通知人来救你。用卫星电线(急救中心)等救急的电话和公网一样也是免费的。如果在荒漠去旅游,大家都能有这个业务的线个人死在去无人区旅游路上这种悲剧了。有了更多人通过本质上是保险的极低租费来分担成本,实际使用这个业务的资费也就可以大大降低。
静止轨道卫星的好处是因为轨道很高,是真空程度极高的环境,寿命较长。天通卫星的设计寿命是12-15年。相比之下,低轨卫星因为所处环境有极稀薄的空气,会不断降低卫星运行速度,导致星链的卫星寿命一般很难超过5年。这意味着4.2万颗星链卫星系统要想长久保持其数目的线多颗卫星。这个成本实在是太高了,无论火箭技术怎么改进,通过可回收来降低成本都没用,难以平衡成本。
是不是胜负已经完全注定了?也不一定。中国很不擅长的一点就是如何把暂时领先的技术变成国际标准,从而长期占据一个领域的技术优势。如果我们迅速把这种准6G变成事实标准,先成为中国的事实标准,推广到所有公网运营商,并且成为所有手机用户的标配(无论多少G都融合天通卫星业务),而后迅速变成国际的事实标准?迅速抢占静止轨道卫星资源(这个远比低轨卫星的轨道资源稀缺得多),暂时的技术优势就会固定下来成为长期的系统和标准优势。
当然,有人肯定会想到,星链也可以与公网融合啊!但是,要融合不是星链一方一厢情愿的事情,得公网运营者也愿意。如果公网要去融合一个卫星业务的话,为什么不融合一个成本和运营尽可能简单和经济的?反正平时根本用不上,只是用来救命的。并且,未来静止轨道卫星的通信容量要提升也不是难事,无非就是多增加频率资源。但是,星链最初的设计目标是要在通信容量上也尽可能具备与公网一较高下的能力,那成本肯定就是这种方案里面极大化的 —— 一开始的错误战略目标和落后的专网商业模式就注定了最终的结局。现在星链整体技术方案已经基本固定,已经发射的星链在轨卫星数量都已经超过4000颗了,怎么回头?
新华社快讯:以色列13日夜发布新的安全警告,将在未来48小时内停止全国所有学校的教学活动
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