有史以来最复杂的机器

芯片是我们这个时代最神奇的产品，也是一种特别可靠的产品。手机里有很多个芯片，可如果谁的手机坏了，一般是屏幕坏了或里面某个会活动的小组件坏了，你大概没听说过芯片坏了。芯片几乎不会坏，因为它就是一个硅块，上面一个活动的部件都没有，无数个晶体管不是被“安装”在芯片上，而是被“刻”在芯片上的，如同印刷一本书。

用什么东西刻呢？光刻机。这是人类有史以来最复杂的机器。我相信它比飞机、火箭、宇宙飞船更复杂，难度更高。因为其他东西的制造技术至少在原则上可以由一个国家掌握，但没有任何一个国家能掌握最尖端光刻机的全套制造技术。研发光刻机，是一个绝对意义上的跨国工程。

光刻的基本原理，就是用光把芯片蓝图缩小，投影到硅片上，跟表面化学物质发生反应完成刻蚀。最早的光刻用的是普通光源，而普通光源的极限精度是几百个纳米（1纳米=10-9米）。要想在单位面积上继续增加晶体管，必须提高光刻精度，就得用波长更短的光。一开始是用紫外光，然后是深紫外光，很快深紫外光也会达到瓶颈。每两年就能让晶体管密度增加一倍的摩尔定律，似乎即将结束。

最不希望摩尔定律到达天花板的是美国的英特尔公司，因为英特尔的CPU性能是跟着摩尔定律成长的。所以英特尔力推开发新的光刻技术。接下来的事情大约可以分为三步：

第一步是科学上的可能性。这一步纯属务虚，科学家设想了各种方法——直到今天也有各种新设想——在1992年，各方的共识是应该使用波长为13.5纳米的极紫外光。这只是一个设想，距离做出来光刻机还差得很远。

第二步是技术上的可行性。这一步就不能由着科学家小打小闹了，必须投入巨资让工程师参与。1996年，英特尔联合几家芯片厂和几个国家实验室成立了一个联盟，全力开发光刻技术。英特尔承担了大部分经费。历经数年，才算大致知道极紫外光刻机应该怎么实现。

第三步才是具体实现。当时，全世界只有3家公司有可能造出来极紫外光刻机，包括日本的佳能和尼康、荷兰的ASML。美国不想把这么关键的技术给日本，最后ASML得到了制造极紫外光刻机的技术授权。美国还要求ASML必须把几个关键部件留在美国生产。

但ASML也不是拿过来就能干，从技术上可行到实现产品化，还有十万八千里。

首先需要得到极紫外光。要先制造一种直径是三千万分之一米的小锡球，让它以每小时200英里的速度在真空中移动，然后用激光对小锡球进行两次打击。第一次是提高小锡球的温度，第二次是让小锡球爆炸，把它变成温度达50万摄氏度的等离子体——这个温度比太阳表面的温度还要高得多。这个喷射锡的过程每秒钟要重复5万次，才能得到可以用来光刻的极紫外光。

这个过程说着简单，但每一步都需要创新。先要找一家叫通快的德国公司开发那个激光器。他家的专长就是二氧化碳激光器，但是其每次产生的能量中有80%是热，只有20%是激光。这就有个散热问题。以前都是用风扇散热，可是光刻机要求风扇每秒钟要转1000次，没有一个物理轴承能承受这样的风扇。于是，通快专门开发了一个磁悬浮风扇……

有了激光，用激光轰击锡球的时候，锡球反光怎么办？怎么保证锡球气体的密度是恒定的？这些都是问题。于是，这台激光器，通快公司用了10年才生产出来。这台激光器本身就有457329个零部件。

用激光器击打锡球成功了，还得把产生的极紫外光收集起来，为此需要镜子。可是极紫外光的波长太短，打在一般东西上都被吸收了，并不会被反射。有一篇1998年的论文说可以用金属钼和硅交替排列制作能反射极紫外光的镜子。研究人员一算，发现这个镜子必须是分层的：一层金属钼一层硅交替排列，每层的厚度只有几纳米，而且要做100层。后来又是一家叫蔡斯的德国公司把这个镜子做出来了——那应该是有史以来最光滑的物体，号称如果把镜子放大到整个德国那么大，其中凹凸不规则的部分，也只有1/10毫米。

整个光刻过程差不多是这样：二氧化碳激光器轰击锡球得到极紫外光，再用镜子把极紫外光收集起来透射到硅片上——最终完成的光刻机有火车头大小，有数十万个零部件。

ASML最厉害的本事还不是这些具体的研发工作，而是对供应商的协调和管理。

ASML自己只能生产15%的零部件。其他零部件，往往别的公司也没有现成的，需要研发。像前面说的做激光器和做镜子的那两家德国公司，得投入巨资长期研发才行。而光刻机的供应商总共有数千家公司。于是，ASML一方面直接赞助研发，比如，给德国蔡斯公司提供10亿美元去搞镜子；另一方面强调标准和纪律：如果有哪个供应商不听话，ASML可能会收购它。

直到21世纪初，经过了二三十年，ASML才终于把极紫外光刻技术光刻机做出来。这是一种非常贵的机器。每台价格超过一亿美元不说，买回来还有极高的维护成本。ASML尽了最大的努力，让光刻机的每个零部件平均至少可以使用3万小时而不坏。但考虑到光刻机有那么多零部件，它们不能同时坏，ASML还开发了一个预测性的算法，能大概判断什么时候哪个零件该坏了……但就是这样，它也必须派人在现场盯着，随时维修。

现在你应该明白，为什么说光刻机是人类有史以来最复杂的机器，而生产高端芯片又是难度多么惊人的业务了。

（摘自“得到”App）