光刻巨人-读书笔记
在《光刻巨人：ASML崛起之路》中，作者瑞尼·雷吉梅克带我们重返了晶圆步进光刻机的诞生地，和我们一起探索了ASML在全球获得令人瞩目的成功之根源所在。作者通过回顾工程师们全力以赴超越对手的历史，生动地给我们打开了一扇窗户，使我们有机会看到孵化世界上很精密芯片制造技术背后那个独一无二的企业文化：“赢者通吃”和“只争金牌”，这些思想至今仍渗透在ASML的血液中。
高端光刻机为什么那么难造？
什么是光刻机？有人这样形容光刻机：“这是一种集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。”我们可以把光刻机看作一台高精度的底片曝光洗印机，它负责把“底片”，也就是设计好的芯片电路图曝光到“相片纸”上。这个“底片”有一个专业名称，叫做“掩膜”。而这里的“相片纸”，就是制造芯片的基底材料硅晶圆；曝光完成后得到的最终“照片”，就是芯片。
光刻机的基本结构最关键的部件只有三个：光源发射器、用来调整光路和聚焦的光学镜头，以及放置硅晶圆的曝光台。正是因为光刻机的工作原理和基本结构并不复杂，所以，在芯片行业发展的早期，并没有专门的光刻机生产商。芯片公司只需要到照相器材商店购买普通的相片洗印设备，然后自己加工改造一下就可以了。那么，光刻机是从什么时候变得复杂起来的呢？
光源
这就要说到芯片行业著名的“摩尔定律”。摩尔定律是指，每隔两年，同样大小的一块芯片上，晶体管数量会增加一倍。换句话说，芯片的性能也增加一倍。但摩尔定律并不是客观的自然规律，而是芯片行业在激烈竞争中形成的经验规律：一旦芯片公司的研发速度落后于这个节奏，就将被无情淘汰。摩尔定律自从1965年提出后，统治了芯片行业长达半个世纪。半个世纪以来，芯片上的晶体管数量一直在呈指数级增长。如果还把芯片比喻为“照片”的话，那么，这个照片的像素是呈指数级增长的。相应地，用来曝光洗印“照片”的光刻机的精度，也必须越来越高，否则，你设计的“照片”再精美，印不出来也没有用。
比如，华为的麒麟7纳米芯片，生产这样的芯片，要用到的最先进的极紫外光刻机。它的精度要达到什么样的程度呢？首先，如果把光想象成一把刻刀的话，那么光波越短，这把刻刀就越锋利。我们知道，1纳米等于百万分之一毫米，7纳米芯片意味着，它的每个元器件之间，只允许有几纳米的间隔距离，相当于一根头发丝粗细的万分之一。要曝光这样的芯片，必须采用一种特殊的光源，也就是极紫外光，它的波长只有13.5纳米，是可见光波长的几十分之一。但是，极紫外光源很难制造。有大概20年的时间，光刻机所使用的光都是波长为193纳米的深紫外光，一直无法突破。直到2015年，阿斯麦才研制出了第一台极紫外光刻机。到今天，也只有阿斯麦一家公司能够生产极紫外光刻机。这就是光刻机的第一个技术难点，光源。
光学镜头
光刻机的第二个技术难点，是用来调整光路和聚焦的光学镜头。高度精密的光学镜头是光刻机的核心部件之一，所以，排在阿斯麦之后的另外两家光刻机生产商，尼康和佳能，都是生产光学镜头的佼佼者。阿斯麦自己不生产镜头，它的镜头来自德国的光学大师卡尔蔡司。这种镜头有多精密呢？如果把镜头放大到一个地球那么大，它上面只允许有一根头发丝那样的凸起。所以有人说，这可能是宇宙中最光滑的人造物体。
对准
芯片不是一次曝光就可以完成的，而是必须更换不同的掩膜，进行多次曝光。芯片的每个元器件之间只允许有几纳米的间隔。这就意味着，掩膜和硅晶圆每次对准的误差，也必须控制在纳米级别。曝光完一个区域之后，放置硅晶圆的曝光台必须快速移动，接着曝光下一个区域。要在快速移动中实现纳米级的对准，这个难度就相当于，你要从眨眼之间，端着一盘菜从北京天安门冲到上海外滩，恰好踩到预定的脚印上，菜还保持端平不能洒。
当然，这还有一系列外围的技术难题，比如，室外空气干净1万倍的超洁净厂房，防止机器抖动的磁悬浮装置，以及配套的计算光刻软件等等。现在我们明白，为什么光刻机被称为“半导体工业皇冠上的明珠”。制造一台极紫外光刻机，就是在挑战人类工业文明的极限。
阿斯麦公司是如何崛起的
在阿斯麦公司成立的1984年，光刻机市场已经是群雄并起，有十来家生产商，市场份额较大的有美国的著名仪器制造商珀金埃尔默公司和GCA公司，以及日本的尼康和佳能。阿斯麦公司在成立后的两年内，市场份额为零，因为他们还没有生产出任何一款产品推向市场。阿斯麦的首届CEO贾特·斯密特声称，四年之内，阿斯麦定会杀入光刻机市场的前三强。
一家名不见经传的小公司，在巨头林立的光刻机市场，哪来这样的底气呢？这是因为阿斯麦是系出名门，它的技术和创业团队来自大名鼎鼎的飞利浦公司。早在1960年代，飞利浦的物理实验室就开始研发光刻机，而且，有好几项技术都比市面上的光刻机要先进。但是，飞利浦作为一家巨无霸公司，同时研发的新产品可以说不计其数，那个年代的光刻机也不算一种特别高科技的产品，飞利浦高层完全没有意识到这个机器的重要性。
比如，飞利浦的物理实验室每年都会举办一个研究成果展，有一年，光刻机团队获得了一个机会，在大会上展出他们的光刻机原型。这台机器成功吸引了大家的注意，一名公司董事也过来参观学习。光刻机团队正在眉飞色舞地给董事介绍机器性能，结果董事突然走开了，原来他被隔壁展台的新型洗衣机吸引过去了。在董事看来，与光刻机这种专业小众设备相比，能够批量出货上万台的新型洗衣机当然更具赚钱能力。而偏偏光刻机又是一个需要持续投入、大量烧钱的项目，每年至少需要投入1000万美元进行研发，简直就是个无底洞。到1980年代初，飞利浦实在受不了了，决定把这个包袱甩出去，能卖掉就卖掉，卖不掉的话找人来合资。 飞利浦先后洽谈了三家美国公司，都吃了闭门羹，美国人并不觉得飞利浦的技术有多牛。只有荷兰本地的一家叫ASM的小公司积极回应。眼看着实在没人接盘，飞利浦最终同意，与ASM合资成立光刻机公司，双方各占一半股份。阿斯麦的名字就来自于ASM公司。1984年4月1日愚人节这天，投资资金到账，首任CEO贾特·斯密特走马上任。
但斯密特很快就后悔了，他发现自己掉进了一个大坑里。首先，这家公司穷得要命。飞利浦和ASM各自注资210万美元，其中飞利浦的注资还是拿过时的样机和库存材料来折价的。阿斯麦公司现金不足300万美元，这和每年至少1000万美元的研发预算相比，简直都不够塞牙缝的。公司甚至都没有一个像样的办公地点，飞利浦在自己的豪华办公大楼前面，搭了一排简易活动板房供他们办公。第二，比没钱更要命的是，公司员工的士气非常低落。阿斯麦最初的47名员工，都来自飞利浦的光刻机团队，他们认为自己是被飞利浦一脚踢了出来，扫地出门。每个人都灰心丧气、不停地抱怨，这样一帮人，你怎么指挥他们打仗？第三，从技术上看，阿斯麦确实从飞利浦那儿获得了一些领先的技术，比如高精度的对准技术，但是，从实验室技术到商业量产，还有很长的一段路要走。很有可能，产品还没推向市场，钱就烧光了。那斯密特该怎么办呢？
重振员工士气
在公司成立后的第一次员工大会上，斯密特信心满满地宣布，四年之内，阿斯麦可以从一家市场份额为零的公司，跻身光刻机市场的前三名。那怎么让员工相信呢？斯密特对竞争形势做了认真分析。当时市面上包括阿斯麦在内，有10家光刻机生产商，但其中有5家根本没有什么核心技术，真正值得认真对待的对手也就四家，美国的珀金埃尔默和GCA，以及日本的尼康和佳能。
斯密特告诉员工，虽然这四家公司的产品都很成熟，但是它们都没有充分重视摩尔定律的威力。两年之后，主流芯片将升级换代，从大规模集成电路变成超大规模集成电路，硅晶圆尺寸要从4英寸变成6英寸。这意味着，现有的光刻机会被淘汰，市场将会重新洗牌。四巨头中还没有一家研制出了新一代光刻机，阿斯麦是和它们站在同一条起跑线上，谁率先研发出新一代光刻机，谁就赢了。更何况，阿斯麦拥有一张技术王牌——高精度的对准系统。这是开发下一代光刻机的关键技术，其他四巨头都还没有，这等于是阿斯麦抢跑了，赢面很大。
钱
斯密特完成第二项艰巨任务就是找钱。斯密特估计，要想在光刻机市场站稳脚跟，需要筹集1亿美元的研发费用。但是，飞利浦把光刻机项目剥离出来，就是不想再往里面投钱，ASM的实力又不够，斯密特费了半天劲才让两家股东各增资了150万美元，简直是杯水车薪。事实上，阿斯麦从成立到上市的十多年间，一直处于现金流极度紧张的状况，斯密特和后来几任CEO的首要任务，都是找钱。当时，欧共体和荷兰政府的经济事务部，都对本地高科技企业有补贴和贷款支持，阿斯麦的人天天去游说政府给他们拨款，有段时间简直就要在政府大楼门前安营扎寨了。阿斯麦好几次资金断流，都是靠荷兰政府紧急输血来续的命。
飞利浦不想给钱，那就做担保吧，靠着飞利浦的担保，阿斯麦从银行贷到了2500万美元。阿斯麦又设法找到资产租赁公司，以在建的机器设备为抵押，贷了一笔款。总之，通过各种东挪西凑，研发费用勉强到位。当然，后来飞利浦终于发现了光刻机的重要性，也对阿斯麦下了血本，前后投资超过1亿美元。
量产
斯密特清醒地认识到，关键的瓶颈其实不在阿斯麦本身，而在于生产光学镜头的供应商。日本的尼康和佳能自己就是顶级的光学镜头厂商，阿斯麦想要和它们竞争，必须绑定一个高水平的供应商。斯密特认定，唯一的选择是德国的顶级镜头厂商卡尔蔡司。
斯密特派人去蔡司谈合作，看看能不能为他们独家定制镜头，谁知道，蔡司那边的负责人一口拒绝，拿出几个库存镜头告诉他们，爱买不买。原来，除了阿斯麦，美国的几家光刻机公司也在寻求和蔡司合作。更麻烦的是，就算蔡司愿意合作，它的产量也跟不上。蔡司的精密镜头是手动抛光完成的，需要依赖具有多年经验的顶级工匠，这样的工匠被称为“金手指”。6名“金手指”一年只能磨制出10套满足新一代光刻机要求的镜头，蔡司就算跑遍全球也找不到足够的“金手指”。
在后来很长一段时间里，蔡司和阿斯麦的合作都是半心半意，镜头成了阿斯麦“卡脖子”的环节。一直到1990年代初，蔡司陷入财务危机，而阿斯麦的母公司飞利浦慷慨相助，前后借给蔡司将近4000万美元，帮助它摆脱困境，两家公司这才越走越近。后来，蔡司又在飞利浦的帮助下，开发出了闭环抛光机器人生产线，也就是用机器人来打磨抛光镜片，这就摆脱了对“金手指”的依赖，为光刻机的量产铺平了道路。就这样，初创的阿斯麦攻克了一道道难关，终于在1991年交付了一台划时代的产品，型号为PAS 5500。这款机器一上市就迅速占领市场，阿斯麦终于扭转多年亏损的局面，实现了持续盈利。
同时，一场意外的行业萧条，直接让阿斯麦的两位美国对手出局了。就在阿斯麦刚成立的三年中，全球的芯片行业经历了一次衰退，需求暴跌。日本公司通过财团之间的抱团取暖，躲过一劫。阿斯麦在那几年还在潜心搞研发，反正没有产品卖，也不受市场萧条的影响。但是美国公司就倒霉了。
比如，GCA公司。在前些年的市场繁荣期，GCA大干快上，同时上马了50多个研发项目，结果萧条期一来，资金链马上断掉，公司一蹶不振。美国公司一倒，蔡司的光刻镜头就只能卖给阿斯麦，正好缓解了镜头产能不足的压力。到1996年阿斯麦上市的时候，光刻机市场只剩三个玩家：尼康、佳能，阿斯麦排第三。
