文 姚坤
1984年4月1日,47名員工被選中,不情願地轉進新的合資子公司ASML,他們將在幾間靠近垃圾堆的狹小簡易房中辦公、開發光刻機。這個意志消沉的初創團隊可能不會想到,30多年後,ASML將成為全球最大的光刻機制造商,市值遠超原來的母公司飛利浦。
這家荷蘭最大的出口商、荷蘭最大的技術僱主和世界最大的晶片裝置製造商,後來搬到了人口不到30萬的荷蘭南部城市維爾德霍芬,並在此持續影響整個IT行業的發展速度。
光刻機影響了整個IT行業發展進度?
說光刻技術影響了整個IT行業的發展速度,這不是故作驚人之語。
回到原點來看,整個數字世界本質上就是無數的0和1。比如iPhone上的每一個APP、每一張照片和每一段短影片,所有這些最終都是由1和0組成的海量字串。這些數字都要經過晶片,而晶片是由幾百萬個甚至幾十億個電晶體組成的網路,每個電晶體都是一個電子開關,透過電流開(1)或關(0)來處理和儲存這兩個數字。用手機點外賣、發朋友圈、打遊戲,本質上是手機裡的晶片,還有網際網路平臺伺服器裡的晶片,在同時處理無數的0和1。
計算機的算力強弱,就看其內部大量“開關”對0和1的處理能力。
1945年最先進的計算機,是賓夕法尼亞大學為美國陸軍建造的“埃尼阿克”(ENIAC),有18000個真空管當“開關”,用於計算炮彈軌跡,每秒可以計算數百個乘法,體積龐大,佔據了整個房間。此後科學家找到了更小、更快、更便宜的“開關”——電晶體。到1969年7月,將阿波羅11號帶上月球的計算機使用仙童公司(Fairchild)的晶片,佔據了大約1立方英尺的空間,是“埃尼阿克”的千分之一。
1961年,仙童釋出第一款晶片,其中只嵌入了4個電晶體而已,但很快,該公司就設計出了在晶片上放置十幾個電晶體的方法,然後是100個……仙童聯合創始人戈登·摩爾在1965年發現,隨著工程師們學會製造越來越小的電晶體,每個晶片上可安放的元器件數量每年都會翻倍。這一對晶片計算能力指數級增長的預測,就是著名的“摩爾定律”,摩爾由此預測了在1965年看似瘋狂的“未來產品”,比如“電子手錶”“家用電腦”,甚至“個人行動式通訊裝置”。
摩爾定律幾乎成了接下來半個多世紀計算機發展的路線圖。到2020年,每臺iPhone 12上的A14處理器晶片都集成了118億個微型電晶體。人人可以購買的手機,計算能力已經遠超當年美國陸軍的“埃尼阿克”。
更強大的計算能力,卻只需要更低的運算成本,關鍵就在更小的“開關”(電晶體),還有整合電晶體數量更多的晶片,這就是摩爾定律的魅力。
而維持摩爾定律的關鍵,就在光刻機。
在晶片製造的幾百道工序裡,光刻是最重要的步驟。一塊晶片在整個生產過程中需要光刻二三十次,耗時佔生產過程的一半,成本能佔到三分之一。
說光刻機影響了世界計算機的算力和資訊的儲存容量並不為過,考慮到晶片在現代國防軍事上的廣泛應用——美國晶片行業最早的訂單即來自NASA和美國空軍,用來引導火箭和導彈——對先進光刻技術的追求甚至超出了產業鏈安全的範疇,成為大國博弈和地緣政治波動的一個焦點。
“爛攤子”ASML
但當ASML首任CEO賈特·斯密特赴任時,這家公司離聚光燈還很遠,甚至可以說是個爛攤子。
斯密特在加入ASML之前,在電信巨頭美國國際電話電報公司(ITT)擔任荷蘭辦事處的銷售經理,他發現,該公司電信業務的利潤顯然正在螺旋式下降,很快就要見底。但在他接受該公司CEO職位之後,ITT的同事首先質疑了他的職業規劃,同時他還聽到了一些著名分析師的說法:ASM和飛利浦的合資企業註定以失敗告終。
這種說法並非空穴來風,在某種程度上,ASML是飛利浦為擺脫其一直燒錢的光刻機專案而成立的合資子公司,而合資方ASM並非飛利浦的首選,而是“將就”抓到的最後一根稻草。
連飛利浦都“燒”不起的光刻機
光刻機的工作原理,或者說現代晶片製作的基本原理本身並不難懂,這個過程大致包括:(1)畫出線路圖;(2)把線路圖刻到玻璃板上,製成掩膜(也叫光罩);(3)把掩膜上的線路圖用強光投射到塗了光刻膠的矽片(晶圓)上,光刻膠被強光照射的部分變得可以溶解,這樣就在矽片上曝光出了線路圖;(4)對矽片上的線路圖多次使用刻蝕、擴散、沉積等工藝做出複雜的電晶體和電路網路。
自德州儀器(TI)的傑伊·萊思羅普發明光刻技術以來,光刻機和晶片製造的基本原理沒有太多改變。但隨著製程(可粗略理解為晶片上電晶體的密集程度)的發展,光刻技術的研發和實現成本越來越高。
以目前僅有ASML能製造的EUV(極紫外光)光刻機為例,先看光源,在萊思羅普發明光刻技術的時候,只需要一個簡單的燈泡,但當發展到EUV階段的時候,光源的複雜度已暴增到令人難以置信的高溫——為了產生足夠的EUV,需要用鐳射粉碎一個小錫球。已經被ASML收購的西盟(Cymer)自20世紀80年代以來一直是光刻光源領域的主要參與者,該公司由加州大學聖地亞哥分校的兩位鐳射專家創立。西盟的工程師發現最佳做法是發射一個直徑為三千萬分之一米的小錫球,使它以時速約200英里的速度穿過真空。 然後以鐳射照射那顆錫球兩次,第一次是加熱它,第二次是以太陽表面溫度好幾倍的高溫把它轟擊成電漿體。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。
再看鏡頭,起初萊思羅普只用把普通顯微鏡顛倒過來即可,但到了EUV階段,對反射鏡的工藝精度要求極高,直徑30釐米的反射鏡要求起伏不到0.3奈米,這相當於是做一條從北京到上海的鐵軌,要求起伏不超過1毫米。或者用ASML現任CEO韋尼克的話來說:“如果反射鏡面積有整個德國大,最高的突起處不能高於1釐米。”
再看機臺,光刻機一次曝光的區域,只有指甲那麼大,一塊直徑12英寸的晶圓全部曝光一遍,要移動好幾百次。如今的光刻機每次移動的定位,要精確到幾十奈米,相當於頭髮絲直徑的幾萬分之一。如果兩輛車以每小時3萬公里的速度並行,兩者差值必須小於0.5毫米,才能達到與光刻機一樣的精度。
晶片行業時間就是金錢,滯銷的過時產品價格斷崖下跌很普遍。所以,光刻機必須24小時連續工作,全年停機時間不超過3%。讓如此精密又複雜的機器長時間連續穩定工作,是工程學上的巨大挑戰。
即便回到ASML剛成立的1984年,光刻機的研發也耗資巨大,因為遲遲不能盈利,連財大氣粗的飛利浦也準備取消這一“非核心業務”,如果出售行不通,合資也行。其實如果當時飛利浦光刻機專案的決定人特羅斯特(此人後來曾短暫擔任ASML CEO)不動用只有他掌握的隱藏儲備金,飛利浦光刻機專案可能會更早停止。飛利浦的財務主管們之所以容忍特羅斯特的這種特權,是因為他們都依賴特羅斯特的其他專案為公司創造的業績。
ASML:飛利浦與ASM的“勉強”聯姻
本來當時美國的光刻機巨頭Perkin-Elmer已經對和飛利浦合作表示興趣,該公司已經在全球賣出了數千臺Micralign光刻機。英特爾1978年6月推出了著名的8086處理器,就是用Micralign製造。在20世紀70年代末,Perkin-Elmer擁有90%的光刻市場份額,幾乎和最頂尖晶片製造者都有往來:從大學到IBM、英特爾和NEC等巨頭。
Perkin-Elmer擁有巨大的市場份額、強大的客戶群和全球範圍內的機器銷售渠道,它似乎是幫助飛利浦在光刻機市場擺脫困境的理想選擇。但飛利浦卻因為未能及時決策和給出回應,拖黃了這次絕佳的機會。
在和另外幾家潛在合作物件談判失敗後,飛利浦只剩下和ASM合作一條路了。
ASM的CEO阿瑟·德爾·普拉多年輕時曾在哈佛商學院學習,在美期間被矽谷計算機晶片產業的樂觀和野心打動。荷蘭一份著名的報紙後來引用他的話說:德爾·普拉多返回荷蘭時,一手拿著晶圓,一手拿著500美元。他將自己的公司命名為先進半導體材料公司(ASM)。
普拉多幹得很成功,ASM於1981年成為第一家在納斯達克上市的荷蘭公司。1978年,公司收入1400萬美元;到1983年,收入又增長了6倍。而同期的飛利浦和Elcoma的晶片廠卻裁員數千人。在普拉多看來,他已經能夠造出除光刻機外的幾乎所有晶片生產裝置,只要加上光刻機,他就可以成為一站式的晶片裝置供應商。
但對ASM的熱情,飛利浦卻很冷淡,原因首先是ASM的規模不夠,1980年,ASM的收入才3700萬美元。而據飛利浦方面計算,僅新一代步進光刻機的研發費用就將遠遠超過5000萬美元;其次,與光刻機所需的先進技術相比,ASM製造線焊機所需的專業技術簡直不值一提,飛利浦認為普拉多對光刻機的複雜性估計不足;最後,光刻機的銷售與其他晶片生產裝置不同,其他晶片生產裝置的採購,經理層就能定,而光刻機的銷售只有董事會才能決策,所以ASM的銷售渠道對光刻機也沒有幫助。
但為了拯救光刻機專案,飛利浦方面最終主動聯絡了ASM。會議只持續了一個多小時,刨除普拉多離席與團隊商量的時間,雙方交談的時間不到15分鐘,ASM即決定與飛利浦合作。光刻機業務符合普拉多的雄心壯志。ASM製造了晶片生產過程中每一道工序需使用的機器,但對最具戰略性的光刻機,他此前卻未涉及。
最終,雙方合作設立50∶50的合資公司,即ASML。ASM出資210萬美元,飛利浦則把在光刻機專案上庫存的17套光刻機零部件等折價180萬美元,再加30萬美元現金作為出資。
雖然接下來普拉多和ASM沒能熬過ASML光刻機的“燒錢機器”時期,幾乎在“印錢機器”時期前夜撤資出局,累計3500萬美元的投資打了水漂,但他確實在關鍵時刻出手,讓飛利浦的光刻機技術免於被埋沒,也促成了ASML的誕生。
接“燙手山芋”的人
對斯密特而言,擔任ASML的CEO頗有些“重聚”的意味。
他曾在代爾夫特理工大學學習航空工程,後獲得NASA的獎學金進入馬里蘭大學學習。為歐洲空間研究組織(現為歐洲航天局)工作時,他曾寫過一本70頁厚的小冊子,分析地球磁場中的非線性太陽風流。他的研究證實並解釋了NASA第一顆衛星當時測量的資料。
後來他在1969年加入飛利浦,因為受不了公司內部的官僚主義,一年後他選擇了離開。
在與ASML員工的初次見面會後,斯密特立即聯絡了他在飛利浦的前同事,他們認為斯密特真是瘋了才會接這麼一個“燙手山芋”。
先看團隊,被飛利浦調到合資企業ASML的工程師處境尷尬——他們成了光刻市場的笑話,沒有人相信他們能成功。ASML的員工甚至把新公司看作是“槓桿剝離”,與“槓桿收購”相對應——因為破產而分拆企業。他們都認為飛利浦只是想擺脫不必要的負擔。
再看既有產品,飛利浦16臺即將生產出來的PAS 2000光刻機也移交給了ASML。這些光刻機採用油壓工作臺,需要配合的動力單元比機器本身還要大,這又產生了震動和噪音的問題,而且還有油汙的風險。PAS 2000的光學部件來自法國,精度不夠。有這些硬傷的光刻機很難賣出去。
最後看市場情況,就在ASML成立的時候,當時的市場領導者GCA已交付數百臺光刻機,亞軍尼康也正在快速佔領市場。ASML的市場份額是多少呢?零。
但在和團隊長時間談話後,斯密特心中的迷霧開始消散,飛利浦光刻技術中的許多元素在當時仍然領先,其對準系統精確疊加晶片圖案的技術非常先進,而且飛利浦的Natlab實際已經開發了替代油壓工作臺的電動晶圓臺,這是競爭對手沒有的優勢。在當時,Natlab是世界的傳奇,節能燈泡、行動式X光機、旋轉剃鬚系統、錄影機都出自該實驗室。為在合資過程中保護自己的利益,飛利浦和ASM簽訂的合同十分苛刻,其中包括ASML每年向Natlab支付收入的1.5%作為研發費用,但ASML也有機會從Natlab獲得推進光刻機開發所需的一切技術。
找錢、造機器、賣出去
斯密特認為最終決定ASML命運的,還是客戶。他在1984年5月底飛到加利福尼亞州聖馬特奧參加SEMICON West展會,拜訪矽谷的那些晶片製造商們,卻迎來當頭一棒。
美國晶片製造商告訴斯密特,裝機量(在客戶工廠中執行的機器數量)本身很關鍵。光刻機如此複雜,會因為極小的因素就宕機,晶片廠希望將停機時間保持在最低水平,所以售後服務至關重要。最多的時候,GCA有數百名服務工程師在現場工作。ASML還沒有售出機器,也沒有服務部門,毫無晶片生產的實踐經驗,而GCA和尼康已經擁有數百臺裝機量。
但這次展會上的行業脈動又給了斯密特希望,晶片行業都在盡力維持摩爾定律的效力,而從大規模積體電路(LSI)到超大規模積體電路(VLSI)需要新一代光刻機。晶片線路將縮小到1/1000毫米以下,光刻機處理的將不再是4英寸的晶圓,而是6英寸的晶圓。這一轉變將在今後兩年內發生。新一代光刻機要將0.7微米的細節成像到晶圓上,並實現更緊密的微電子整合。而斯密特在展會上明確得知:還沒有人找到這種晶片的光刻解決方案。佳能、GCA、尼康和Perkin-Elmer公司製造的機器仍然使用導程螺絲桿來移動晶圓臺,他們的影象細節達不到小於1微米的定位精度,而這正是ASML技術的優勢所在。
作為一名航空狂熱者,斯密特研究過航空業的整合,從他還在上大學到他拿到博士學位,世界上的飛機制造廠從50家減少到只剩下幾家。在ITT任職期間,斯密特還親歷了電信業的變革。他知道新廠商在成熟市場沒有機會,除非可以取得重大的技術突破。
現在,斯密特和ASML有兩個選擇:要麼在開業前就關門;要麼在兩年後交付一臺成熟的VLSI光刻機,征服市場。
斯密特在激勵團隊時會用體育作類比。如果按照他這個表達方式,接下來ASML要做的事和籃球場上的“跑轟”戰術相似——把球搶到手、快速推進至對方半場、把球投進去,ASML需要找來足夠的錢,在短時間內把機器造出來,最後把機器賣出去。
要1億美元?
但在飛利浦,新一代機器可能需要10年時間才能製造出來,ASML卻只有兩年,他們的工程師必須打破傳統的研發模式,解決方案是把機器拆分為各個模組,專業團隊將並行開發每個模組。真正的問題在最後的組裝階段,傳統方法是逐個測試所有子系統,如果某個子系統出問題,其他子系統只能乾等著。ASML只有同時構建5個原型,5個團隊並行工作,才能將測試和組裝階段的時長從兩年半縮短到6個月。在高峰時期,他們需要250名工程師同時工作。
工程師團隊為此給出了1億美元的報價,而且認為斯密特絕不可能讓董事會接受。斯密特卻並不驚慌,在ITT,他處理過更大數額的投資。在腦海裡排練了8天之後,斯密特把這個天價預算提交給了董事會,他的演講激情洋溢,講述了自己在展會上看到的危機和機會,他認為光刻機行業將重複航空和電信領域的市場規律,新一代裝置的研發投資是上一代裝置的10倍,每一輪都會有廠商被淘汰。現在有大約10家公司正在爭奪市場份額,最後只會剩下幾家而已。
“因此,我們至少要進入前三名。”斯密特解釋道,“要進入前三名,就只有一個辦法——將投資做到行業榜首。我們必須去爭取金牌,第三名都是不夠的,我們必須爭取第一名。我們獲勝的唯一機會是制定積極進取、創新、集中的戰略。不可避免的洗牌顯示了市場的殘酷。如果我們幸運,我們最終會登上頂峰;如果我們不太成功,我們將最終排在第三名;如果我們運氣不好,我們會以第六名的成績出局。但是,如果我們對排名第三或第六感到滿意,那麼我們最好現在就收手別幹了。我們必須把目標定在頂峰,沒有其他選擇。這是我們唯一的生存機會。”
斯密特留給董事會的選擇是:付錢,或讓ASML倒閉。
董事會暫時的答覆是“可以”,飛利浦和ASM決定各增加150萬美元投資。董事會希望斯密特自己去找投資並制訂更詳細的計劃,現在他可以推動團隊造機器了。他們將新產品的名字定為PAS 2500,計劃在1986年的SEMICON West展會上展示該機器。
既然趕工,就不能學飛利浦
斯密特給ASML注入了一種完全不同於飛利浦的“非正式文化”,為激勵最初士氣低迷的團隊,他甚至會專門請人制作卡通幻燈片,這對此前在飛利浦工作的工程師完全是新鮮事。
為快速招募大量工程師,ASML打出的第一則招聘廣告,上面ASM和飛利浦的標識十分醒目,讓人以為在ASML工作就是在飛利浦工作。這讓斯密特受到了飛利浦的責罵,但他假裝自己不知道不該如此。廣告中還說,不需要回信發簡歷。有興趣申請的人可以在晚上6點到10點之間打電話聯絡。這種做法在那個時代非常特別,其實ASML在電話裡就開始了第一輪淘汰。糟糕的經濟形勢使得荷蘭國內有許多待就業的工程師,廣告吸引了大約300名申請人。
ASML的生產方式也和飛利浦完全不同,為了追求研發速度和出貨臺數,自己製造一切是不可能的,因此儘可能外包是公司的關鍵戰略之一。ASML在最初成立的幾個月裡,就確定了公司的定位:一家只進行研發和組裝的公司。這在那時是聞所未聞的。
因為飛利浦的部分子公司不能按時交貨,ASML往往不得不另尋供應商,在20世紀80年代後期,一些細分領域的小供應商能接到像ASML這種規模的訂單就足以維持運營。ASML著名的外包生態系統的種子是在那些年種下的。
為了管理龐大的供應鏈和生產流程,ASML要求開發人員在生產的早期就參與進來,讓他們選擇零部件。每一次調整,包括對每一個螺絲和螺母的調整,研發人員都必須如實地記錄在物流系統中。這樣既能讓供應商在備貨時更明確,又能讓ASML更好掌握各部件的到貨進度。為了引導一萬個零件從河流匯入大海,ASML甚至在成立初期就花費數百萬美元,從施樂公司購買物流和供應鏈系統,還為此僱用了一名全職員工來監督該系統的資訊錄入。
此時經濟衰退的最初跡象已經顯露,晶片製造商越來越謹慎。因此斯密特希望客戶能夠儘快開始試用機器,而不是等兩年後的PAS 2500。
於是ASML團隊6個月就造出了過渡機器PAS 2400,是在PAS 2000基礎上,把液壓機臺換成了Natlab的電動機臺。在這個過程中,以創業公司節奏趕工的ASML工程師不得不和飛利浦的節奏鬥爭。如果ASML工程師在週五下午打電話詢問零件,飛利浦那邊就會說:“不可能在週末之前把零件拿出來,因為現在快5點了。”飛利浦的員工從不加班。解決方法居然是:給他們一點現金,幾杯啤酒,一瓶或兩瓶葡萄酒。後來ASML工程師的後備箱總是裝滿了啤酒和葡萄酒,以便儘快從飛利浦提取訂購的零件。此外,他們還時不時地用現金給工人一些加班費。
在1985年的SEMICON West展會上,ASML的一位工程師對比了PAS 2400和展會冊子上競爭對手的機器,他熟悉的別家機器在演示中都出了問題,維修時展臺經常關閉,而PAS 2400幾乎一直在執行。
為了趕工PAS 2500,ASML的一些員工會加班到深夜。ASML在維爾德霍芬租了一棟房子,離家遠的工程師如果加班到深夜,可以直接睡在那裡。為防所有的床都被佔,他們都把睡袋放在汽車的後備廂裡。
而原定1986年1月1日就該完成的PAS 2500,終於在1986年5月初趕上了參加當年的SEMICON West展會。一位ASML工程師觀察了競爭對手的展位並進行了一次簡短的調查。他的第一個問題:哪家擁有最好的光刻機?對手都回答:我們。下一個問題:誰家有第二好的機器?對手都回答:ASML。
如何爭取AMD、美光、臺積電
在1986年年初,ASML迎來了它的第一位客戶,一家小型晶片製造商MMI購買了PAS 2400。從那時起,ASML終於真正成為了一家擁有裝機量的新晉競爭者。雖然PAS 2400只是一臺過渡機器,但MMI對這臺機器非常滿意,其生產負責人允許ASML在1986年年初投放的廣告中使用他的照片。
PAS 2500在1986年SEMICON West展會上的風光也吸引了另一位客戶賽普拉斯,該公司CEO羅傑斯提出了相當多的要求。“你們有世界上最好的機器。”羅傑斯對斯密特說,“但如果機器搞砸了我的專案逼得我跳樓,我想確保你也一起跳。所以,你必須購買我公司的一些股份。”
這種股權關係連線的利益共同體在晶片行業其實並不罕見,比如為加強與關鍵供應商蔡司的關係,後來ASML也入股了蔡司的半導體制造技術事業群(SMT)。
後來ASML的首席財務官設法和NMB銀行解決了股份購買的資金,ASML也拿到了賽普拉斯的訂單。
但當時斯密特最想得到的客戶是AMD。為此他不惜對AMD CEO 傑瑞·桑德斯公開“喊話”。
在SEMICON West春季宴會上,桑德斯哀嘆美國晶片裝置製造商的質量和服務太差,不得不向日本購買裝置。於是斯密特就在行業期刊上登廣告,大字標題:“我們聽見了你的話,傑瑞。”廣告正文:“ASML光刻機接受傑瑞·桑德斯的可靠性挑戰,保證提供90%的執行時間,這幾乎是該行業現在的2倍。傑瑞,你甚至不用擔心聖安德里亞斯斷層的地震,我們這些機器是牢不可摧的。”
1986年秋天,AMD讓相關經理提前準備好購買PAS 2500的文書。但在最後一刻,桑德斯沒有下單。當時行業還在衰退期,他也沒資金了,他想等到市場復甦更明朗再作決定。這筆取消的訂單佔到當時ASML一半的產能。
直到1987年6月1日,AMD才簽署了購買25臺PAS 2500的合同。說服AMD的不是斯密特,而是ASML在MMI的機器。AMD收購MMI並清點庫存時,發現Perkin-Elmer的機器在角落裡落灰。而與此同時6臺PAS 2400在ASML服務工程師的支援下正在不斷地製造晶圓,這讓AMD最後對ASML說“同意”。
同樣的故事在20世紀90年代初又重演了一次,三星在參觀ASML客戶美光(Micron)的工廠後主動聯絡了ASML,雙方在波折的談判後達成合作。
在20世紀80年代末,ASML獲得了兩個關鍵客戶。
首先是美光。ASML在協商後決定對其派駐一組服務人員,目標是使PAS 2500滿足ASML承諾的所有規格,即提高每天的平均晶圓產量和縮短機器的最大停機時間。ASML還附加了一個條件:如果機器的效能得到改善,它將分享利潤。在隨後的幾年裡,美光穩步增長,ASML從中獲益。在大多數美國公司已經把記憶體領域讓給日本人時,美光仍堅持生產,如今已經是全球最大的半導體儲存及影像產品製造商之一。
另一個是臺積電。1987年臺積電成立時,飛利浦以晶片技術換取其27.5%的股份並獲得了5800萬美元。臺積電也算是飛利浦的子公司,它充分利用了這個優勢,讓ASML的談判很艱難,臺積電拒絕為服務支付費用,最後還向ASML傳送了一份兩個拳頭厚的合約。
1988年年底,臺積電剛完成機器安裝工作就發來傳真:需要17臺新機器,因為工廠被燒了。這筆訂單在關鍵時期給ASML提供了喘息空間。在送回機器中,有幾臺只受到了很小的煙霧損害,很多機器很容易被修好。1989年,臺積電的保險公司——最後真正掏錢的金主,成了ASML當年最大的客戶。
但在ASML拿到AMD訂單之後不到4個月,斯密特就卸任了ASML CEO。從財務狀況上看,斯密特卸任時ASML比1984年成立時還要差,到1987年年底,這家公司已經花費了近5000萬美元。計劃的銷售目標沒有實現,ASML不斷虧損。ASM和飛利浦的蜜月期已經結束。但ASML已經擁有一個充滿創造力且自力更生的開發團隊,物流和大規模生產系統也趨於成熟。
斯密特被ASML的CFO吐槽為“花錢大王”,即便公司一直虧錢,斯密特對每日收費700美元的外部諮詢顧問還是照用不誤,甚至負擔顧問同去美國的差旅費,這當然會引發周圍人的不滿。但如果不是因為他看重機會勝過成本,在行業衰退期間仍堅持投資,開場就向頂峰衝擊,ASML也不可能獲得此後在光刻機領域的主導地位。
熬過發不出工資的至暗時刻
現在用後視鏡看,從1984年至1987年,市場長時間的衰退其實反而給了ASML喘息空間,如果沒有衰退,佳能和尼康很可能佔領整個市場,因為ASML和美國光刻機巨頭GCA的關鍵供應商蔡司產能太差。即便有大訂單,ASML在1986年和1987年的產能也根本無法完成。衰退對佳能和尼康的影響比對ASML大得多。
1988年春天,ASML經歷了將要發不出工資的至暗時刻,靠飛利浦一筆130萬美元的轉賬才活過來。同一年,ASM為避免被ASML拖垮撤資,飛利浦承擔ASM在ASML中的股份與債務。
最終讓ASML扭虧的是PAS 5500,這臺機器實現了像樂高一樣的模組化系統,可以像模型套件一樣拆裝。就以前的光刻機而言,在不得不更換鏡頭時,晶片製造商通常需要停產數週並花費大量資金。
ASML為潛在的大客戶IBM準備了一場組裝PAS 5500的“演出”,當IBM方面因為國際形勢不能飛到荷蘭看機器時,ASML選擇錄好“演出影片”去IBM,結果這臺裝置的先程序度讓IBM的人十分激動。
1993年的前幾個月,資金開始加速流入ASML。訂單量和交貨量齊升,最新的光刻機賣出了高得多的價格,服務和升級的收入也在增加。1992年,公司的年收入從8100萬美元躍升至1.19億美元,ASML現在終於可以靠自己生存了。雖然那一年公司依舊虧損2000萬美元,這主要是因為PAS 5500誕生前的“陣痛”。PAS 5500使公司的現金流不斷增長。在公司的歷史上,資金首次正向流入,而不是流出去。
ASML用支票償還了1992年5月飛利浦2100萬美元的“輸血款”,一天後,飛利浦財務部門負責人打來電話,請ASML再也不要用支票支付這麼大一筆錢了,這樣公司損失了兩天的利息。
1995年,ASML成功上市,不過不是在荷蘭,他們在路演時得到的反饋很冷淡,連養老金都不相信他們,他們只能轉向納斯達克。在美國上市,以及美資股東引入,可能是ASML後來能避開一些地緣限制的原因。
等到1996年,ASML的一些員工開始穿著印花T恤四處走動,T恤上面寫著:我們將打敗日本人。
打敗日企
浸入式光刻是ASML打敗尼康的關鍵節點。
20世紀90年代末,光刻光源被卡在193nm無法進步,摩爾定律受阻,科學家和產業界提出了各種方案。
最後勝出的是一個工程上最簡單的解決辦法,在晶圓光刻膠上方加1mm厚的水。水可以把193nm的光波長折射成134nm。浸入式光刻成功翻越了157nm大關,直接做到半週期65nm。加上後來不斷改進的鏡頭、光刻膠,還有FinFET等技術,浸入式193nm光刻機一直做到7nm製程(iPhone XS搭載的A12晶片就採用7nm製程)。ASML現任CEO韋尼克曾說:“iPhone能出現,是因為浸入式光刻技術。”
2002年臺積電的林本堅博士提出了浸入式193nm的方案,隨後ASML在一年的時間內就開發出樣機。而臺積電也成為了第一家實現浸入式量產的公司,自此追上了之前製程領先的英特爾。
浸入式改進小、效果大、成本低,幾乎沒有人去訂購尼康幾乎同時推出的157奈米乾式光刻機。雖然尼康只用了一年時間就完成了對浸入式技術的追趕,但ASML已經搶先奪下IBM和英特爾等許多大客戶的訂單。
這導致後面尼康不再強勢。尼康在2000年還是老大,但到了2009年ASML市佔率達到近七成,遙遙領先。
EUV光刻機之難在前文已有描述,一臺EUV光刻機有超過10萬個零件,需要40個集裝箱運輸,重達180噸,安裝除錯都要超過1年。
早在1997年,面對挑戰193nm之難,英特爾說服了美國對高科技最開明的克林頓內閣,發起了合作組織EUV LLC。該組織由英特爾和美國能源部牽頭,還包括摩托羅拉以及AMD,以及美國三大國家實驗室——勞倫斯利弗莫爾實驗室、勞倫斯伯克利實驗室和桑迪亞國家實驗室,投資兩億美元集合幾百位頂級科學家,從理論上驗證EUV光刻的可行性。
美國政府對20世紀80年代和日本的貿易戰依然很敏感,不想讓尼康、佳能等日本公司與美國的國家實驗室合作,雖然尼康本來就認為EUV技術行不通。
結果是尼康被排除在外,ASML被允許加入(在做了一堆對美國貢獻的許諾後)。
2012年,ASML請英特爾、三星和臺積電入股自己,因為EUV光刻機的研發投入需要每年10億歐元。總共算下來,ASML從三大巨頭成功籌得53億歐元資金。而2012年全年,ASML的銷售額也才47億歐元。
2015年,可量產的EUV光刻機樣機發布,ASML站上光刻技術之巔。
不可複製的故事
正如《光刻巨人:ASML崛起之路》一書作者瑞尼·雷吉梅克在接受《中國經濟週刊》採訪時說的那樣:如果你想製造出一臺光刻機,就需要在技術上投入大量的資金和人力,然而這樣的技術也只能維持幾代人。想複製ASML的成功,需要企業同時擁有資金、人才、政府支援以及歷史性的機遇。
ASML的成功無法複製,但其經歷對晶片行業的後來者不無教益,尤其是其獨特的外包方式和供應商生態。
如今的晶片產業供應鏈錯綜複雜,一顆典型的晶片,可能是一個加州或中國的工程師團隊,使用美國的設計軟體,根據總部位於英國的ARM公司的藍圖設計出來的。 設計完成後,會送到中國臺灣的工廠,那家工廠再從日本購買超純矽片及特殊氣體,接著利用一家荷蘭公司製造的、全球最精密的機器,把前述的設計刻在矽上。如果沒有這些公司,很難製造出先進的晶片。 之後,晶片會經過封裝與測試,通常是在東南亞進行,然後才運到中國,裝進手機或電腦。
還是以iPhone為例,臺積電和三星作為代工廠,是蘋果的供應商;ASML作為光刻機制造商,是臺積電、三星的供應商;而蔡司作為光學元件製造商,是ASML的供應商……
而根據ASML 2022年年報,其供應商總數約為5000家,其中1600家在荷蘭,1300家在北美,1350家在亞洲。
這個漫長的鏈條分擔研發成本,也分享商業利益。
有分析認為,蘇聯在晶片上的落後一大原因是缺乏國際供應鏈。矽谷與美國盟友合作打造的全球化分工極有效率。當時日本主要生產記憶體晶片,美國生產較多的微處理器,日本的尼康與佳能以及荷蘭的ASML瓜分了光刻機裝置市場。 東南亞的工人負責大部分的最後組裝。 美國、日本、歐洲的公司在這個鏈條上爭奪地位,但它們卻都能夠把研發成本分攤到一個遠比蘇聯還大的半導體市場上,因而受益。
如何利用好國際供應鏈,如何定位自己在國際供應鏈中的位置,這是每個晶片行業後來者該認真思考的問題。
本文綜合自:
(荷)瑞尼·雷吉梅克著;金捷幡譯:《光刻巨人:ASML崛起之路》,人民郵電出版社,2020.10。
(美)克里斯·米勒著;蔡樹軍譯:《晶片戰爭:世界最關鍵技術的爭奪戰》,浙江人民出版社,2023.5。
餘盛:《晶片戰爭》,華中科技大學出版社,2021.11。
“金捷幡”公眾號“光刻機之戰”系列組文
B站UP主“談三圈”光刻機與晶片系列科普影片。
(本文刊發於《中國經濟週刊》2023年第22期)