美光绕过了光刻机光量子芯片在路上：ASML越来越危险

  美国内存芯片制造商美光科技公司日前宣布，采用1β(1-beta)制造工艺的DRAM内存芯片已经送样给部分手机制造商、芯片平台合作伙伴做验证，并做好了量产准备。

  根据美光的说法是，1β绕过了EUV（极紫外光刻）工具，但还是采用了DUV（深紫外光刻）。

  据称，美光在低功耗LPDDR5X移动内存上采用新一代尖端的制造技术1-beta。而1-beta技术是通过美光专有的多重曝光光刻技术结合领先工艺和先进材料实现的，1-beta GRAM制程技术带来了前多未有的内存密度，为新一代数据密集型、智能化和低功耗的技术革命奠定了基础。

  美光目前批量生产基于1-alpha技术制造的LPDDR5X芯片，1-beta芯片的能效比1-alpha提高了15%，且内存密度提升了35%，使其最高速率可达到8.5Gb。

  也就是说，按照目前美光科技的透露，当前依赖多重曝光光刻技术结合领先工艺和先进材料，美光已经绕过了EUV（极紫外光刻）光刻机。当然，还要看美光芯片量产之后的表现。

  EUV（深紫外光刻）也是我国芯片产业被卡脖子的地方。目前我国自主研制的光刻机系统，其实也达到了与ASML公司的DUV光刻机的水平，已经具备生产14nm的芯片的能力，目前荷兰也是在持续出售DUV光刻机给中国，但国内核心受限的部分在于高端芯片。

  在芯片领域，我们近年来说的国产替代，难题在于对EUV光刻机的依赖。芯片制程只要进入7nm，所生产芯片用的晶元仪器就得使用荷兰ASML公司的EUV光刻机，因为EUV光刻机的制程精度是当下最高的，能有效提升高端芯片产品在生产的全部过程中的良率，也只有EUV光刻机才能够对它进行大规模加工，增大产出效率。

  在国内，为摆脱对EUV光刻机的依赖，在Chiplet技术、光子芯片、量子芯片等多条路线上进行探索，也有了新的突破。

  在光子芯片与量子芯片之前，国内Chiplet技术也是一种突围光刻机的先进封装技术，即通过die-to-die将模块芯片和底层基础芯片封装组合在一起，像搭积木一样把几个芯片集成，去实现更需要更先进制程的工艺。比如说，它可以将几个采用14nm工艺的模块拼装，去达到7nm工艺芯片的性能。

  但这种方案的局限性在于没有办法解决发热和功耗的问题，它能够适用于汽车、电脑等对功耗要求不高的领域，在智能手机上并不适合。因此，光子芯片与量子芯片算是一种升级的思路。

  上个月据北京日报消息称，国内首条“多材料、跨尺寸”的光子芯片生产线年在京建成，可满足通信、数据中心、激光雷达、微波光子、医疗检测等领域需求，有望填补我国在光子芯片晶圆代工领域的空白。

  光子芯片计算速度快，不需要光刻机，使用中国已有的原材料和设备就可以生产。

  从原理层面，电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的，光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并显示信息的。不同于电子芯片侧重光刻环节，而光子芯片侧重外延设计与制备环节，而非光刻环节，使用我国已相对成熟的原材料以及设备就能生产，不再依赖EUV高端光刻机。

  日前，华为一个量子芯片专利也已经流出，根据专利摘要显示，该专利为超导量子芯片包括耦合器和控制器。其中，耦合器用于耦合第一超导比特电路和第二超导比特电路，耦合器的频率响应曲线包括至少一个相位反转点，相位反转点包括频率响应曲线的谐振点或极点。简单来说华为的这个专利可降低领子比特之间的串扰。

  量子芯片与硅基芯片的制造工艺是不同的，量子芯片是将量子线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能。制程可以绕开光刻机，进而摆脱美国的制裁。

  值得一提的是，不久前清华大学研发出了成功研制元成像芯片。该团队研制了一种超级传感器，纪录成像过程而非图像本身，通过实现对非相干复杂光场的超精细感知与融合，即使尽管不完美的光学透镜，依然可以在一定程度上完成完美的三维光学成像。

  元芯片的数字自适应光学能力，有望带来成像系统的变革。元成像芯片有望成为通用的芯片，应用到工业、移动终端、医疗等所有的领域。这在某种程度上预示着在智能手机等移动终端产品领域，也有望迎来另一种芯片替代方案。

  比如日本铠侠公司与佳能合作，研发了一种新的NIL量产技术，即将纳米图形的印迹转移到芯片上。其原理是以机械复制品为基础，利用印刷技术和微电子制造技术相结合，是一种电子束刻蚀技术，它解决了光学衍射所带来的分辨率限制，使电子线路宽度更小。

  根据铠侠公司的说法是，其功耗比EUV光刻机低10%，技术电路精细程度将在2025年达到5nm，与目前已实用化的极紫外光(EUV)半导体制程细微化技术相比，NIL更加减少耗能且大幅度降低设备成本。

  目前，国内各种绕过EUV光刻机的芯片方案还处于研发与筹备生产线阶段，而美光科技已经接近量产阶段。从进度来看，需要客观承认差距，美国在芯片产业的技术依然处于更前列。

  如果美光科技量产成功，对国内芯片研发也是一种鼓舞，因为它印证了，EUV光刻机是可以绕过去的，高端芯片不止一条路径。美国能做到，中国也可以，这可能只是时间问题。

  ASML的EUV光刻机单台设备超过100000个零件，3000多条线个子系统，整合了所有的领域的最尖端技术，包括光学领域最强的德国蔡司的光学组件，美国的掩罩技术龙头Silicon Valley Group，紫外光源龙头Cymer等。其光刻机的联盟成员包括英特尔、AMD、IBM、美国三大国家实验室以及ASML。

  ASML生产光刻机，还有近80%的零件是向外采购的。ASML研发EUV前前后后差不多有20年，即便发展到今天，它还在持续投入研发资金，护城河壁垒慢慢的升高。别的玩家要在原有路径上追赶乃至超越，基本上不可能了。

  这意味着，绕过光刻机，是一条不得不走的路。在今天，这条路能不能走通，从理论上印证是可行的，研发层面也在持续推进，但目前来看，相对于华为量子芯片、清华大学元成像芯片等处于实验室阶段和光子芯片的生产线处于筹备阶段，美光科技已经落地，进入到产品量产阶段。这恰恰印证了国内选择绕过光刻机的技术探索是对的。

  从芯片制程的技术发展角度来看，随着芯片制程逐渐走到极限，在更多需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中，硅的性能局限也已颇为明显，对于3纳米以下的芯片走向，全球的半导体厂商并没有清晰的答案。

  而芯片业界事实上已经看到了晶体管尺寸接近下限的现实，并已经为摩尔定律的终结做了准备。这也是为何美光作为美国芯片公司，是原有光刻机技术的受益者，也要选择去绕过光刻机技术的重要原因，因为芯片业终将以另一种方式发生变化。

  从目前来看，各大绕过光科技的路径都是基于各种新材料并结合自己的新技术。比如替代硅基芯片地位的碳基芯片以及光子芯片都是如此，碳基芯片是以石墨烯为材料，目前这样一种材料在很多技术上未能实现突破，暂时还没办法形成规模化量产。

  光子芯片是将光芯片和电芯片在同一片上集成，和硅基电子器件存在着很大的差别，光子芯片，IDM模式是主流，好处是能够灵活调整产品生产的全部过程中各种工艺参数，制造的原材料与技术路径已经变了，使用我国已相对成熟的原材料以及设备就能生产。

  目前，根据美光科技透露，其绕过光刻机1-beta技术是通过美光专有的多重曝光光刻技术结合领先工艺和先进材料实现的。有必要注意一下的是，美光科技也提到了先进材料。

  因此，从目前的探索来看，绕过光刻机的技术，普遍都在采用全新的材料。而新材料对应的是全新的物理机制实现全新的逻辑、存储及生产结构，这是目前半导体产业的革新方向。从这个方面来看，绕过光刻机技术，本质也是一种材料革命。

  美光开了一个头，所不同的是，美光科技突破的是存储芯片领域，国内最核心的是要突破SoC芯片，美光科技也还需要DUV光刻机，仅仅是更高的性能的芯片，无需再用到高精度的EUV光刻机，甚至对光刻机的工艺技术要求也不一样了，但需要客观看到，这也是一大突破。

  未来更多的公司可能会加快研发进度与投入，这在某种程度上预示着技术的发展的新趋势不会沿着原有路径一直走下去，而是会在岔路口出现新路，对于荷兰ASML公司来说，目前各种绕过光刻机的芯片技术探索，其实就类似于各种外部颠覆式的破坏式创新路径在不断对它的护城河产生冲击。

  ASML公司本身是一家开放的国际化公司，而美国的禁令恰恰限制了ASML公司的市场客户与长期盈利的可能性，并引发了许多对芯片或终端厂商的危机感，这是ASML公司不愿意看到的，也给ASML公司带来了更大的外部冲击的可能性。

  因此，我们大家可以看到ASML公司正在与美国的禁令对抗，破除阻力要向中国出售光刻机。

  从目前来看，国内外的种种尝试，正在对其原有的光刻机路径造成冲击，随着美光的芯片落地以及国内光子芯片、量子芯片的推进，荷兰ASML公司可能也慢慢变得危险了。

  技术创新路径一直在滚滚向前，尤其是当下硅基芯片的性能正在走到顶端的情况下，也亟待一种新的技术模式与路径来打破它的物理天花板。虽然多数时候，技术发展的路径是可以预测的，但有时候也会出人意料，这些改变的方式与速度都是无可预测的。

  从目前来看，芯片技术一只脚停留在过去，一只脚已经踏向未来，我们无从得知，什么样的产品与技术路径在未来会最终取得成功，但已经能看到改变的机会与曙光，以及新的潮水的方向。

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