《芯片战争》中的光学

导 读

2022年美国塔夫茨大学教授克里斯·米勒所著的《芯片战争》一书[1，2]，出版后风靡全球，在世界各国都吸引了众多读者，成为《金融时报》《经济学人》《纽约时报》等知名媒体鼎力推荐的畅销书，而芯片作为“卡脖子”技术，在中国也备受关注，书中的内容经常成为热搜话题。

这本书主要聚焦于芯片产业发展的前世今生，以及业内公司之间的商业战争和各大国之间的政治博弈。全书一共分为八大部分54个章节，时间跨度从上世纪四五十年代一直到二十一世纪的今天，所囊括的内容包罗万象，情节跌宕起伏，引人入胜。

技术层面上，本书的关注点从第一个晶体管和第一块集成电路的诞生，一直到光刻技术的不断发展和芯片制程的最新突破。公司层面上，对于芯片产业链各个环节中，几十年间先后扮演过重要角色的公司和创业者，包括英特尔、德州仪器、尼康、三星、台积电、阿斯麦、苹果、英伟达等等，作者都挖掘出了各自背后的精彩故事。不过与故事相伴的还有芯片技术本身，克里斯·米勒教授尝试对于不少专业的科技概念进行了通俗易懂的解释。

首先芯片无处不在，是很多产品的核心部件，但凡要执行任何计算任务或者处理任何数据，几乎都需要使用芯片，如今算力已经像电力和供水一样逐渐成为随处所需的重要资源。军事用途上，从冷战时代开始，洲际导弹，人造卫星和阿波罗登月计划，都离不开芯片。在海湾战争中，美国为首的多国部队，可以仅仅以数百人伤亡，横扫数十万伊拉克大军，先进的芯片技术也是幕后的功臣之一。   

而我们平时使用的每一部智能手机，更是需要在十几种不同芯片的支持下，才能正常工作。不同类型芯片分别管理着主处理器、数据储存、无线射频、蓝牙和Wi-Fi连接、电池、音频、相机图像传感器、运动感应等各个部分，这些芯片往往由全球产业链上各国不同公司分别供应，而如今一辆智能驾驶的汽车中，除了最核心的部件发动机，各种芯片的所占的成本也越来越大。如书中所述，2017年中国的芯片进口额达到2600亿美元，远远超越了沙特的石油出口额，或德国的汽车出口额，以及全球飞机的交易总额。

一块小小的芯片为什么可以发挥这样巨大的威力呢？这还要从芯片最基本组成单元——晶体管说起。我们平时要处理的各种数据，包括手机上每个按钮，每封电邮，每张照片，每段视频，最终都由大量的二进制0和1数据构成，运算的核心就是把一大串0和1输入，按照一定的规则，转换成想要获得的另一串0和1结果。每个二进制数位可以用一段电路中电流是否通过来表示，这可以由开关来控制，比如开启表示1，关闭表示0。晶体管就是一种非常微小的电子开关，很多晶体管还可以相互连接组成一个电路网络，通过它们的开开关关，操控无数次1和0数字之间的转换，一个个文档、图片、视频都可以被处理成希望的样子。

晶体管这项重要的发明于1947年诞生于美国贝尔实验室，三位发明人威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。肖克利也曾是最早期的芯片创业者，尽管并不成功，但成为一个不错的开端，像日后英特尔公司的两位创始人最早就在肖克利的手下工作过。   

不少人小时候都做过简单的电路实验，把开关，电池，小灯泡用导线连接到一起，控制小灯泡的亮起和熄灭。而如果把晶体管也使用这样方式连接到一起，数量少的时候还不困难，数量要是达到成百上千，光是连接的导线就会密密麻麻成为一团，“剪不断，理还乱”，这样的电路会成为一个体积庞大又容易出故障的怪物。为了解决这一问题，另一项重要发明集成电路（也是芯片的别称）出现了。

集成电路可以把包括晶体管在内的各种电子器件以及它们之间的连接导线，全部集中在一小块半导体晶片之上。集成电路在20世纪50年代已经有了雏形，最初只是将几个或者几十上百个晶体管集成到一起，经过几十年的发展，集成电路体积变得越来越小，但计算能力却越来越强，摩尔定律所说的就是“集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍”。以2020年发布的苹果iPhone 12手机采用的A14处理器芯片为例，其中包含的晶体管数量已经多达7118亿个。作为迟到的承认，集成电路的最早发明者之一杰克·基尔比(Jack S. Kilby)在2000年获得了诺贝尔物理学奖。

接下来又有了一个新难题，集成电路如何加工制造呢？过程类似于在一块半导体材料表面雕刻出各种凹凸不平、“沟壑纵横”的精细结构来，这可比《核舟记》中在一个桃核上雕刻出船篷、船桨、炉子、茶壶、书画一应俱全和船夫面部表情一清二楚的小舟，还要难很多。面对这个艰巨的挑战，光学技术可以在其中大显身手，我们可以用光作为画笔，在半导体表面光刻出集成电路来。

在书中，作者用了一个简单的类比，向读者科普了什么是光刻技术。众所周知，显微镜可以把一个微小的生物细胞放大很多倍，让人眼看清楚，那么完全可以把显微镜颠倒过来，用于缩小图像。在绘制了一个电路板图之后，通过显微镜的反向光路，把版图缩小很多倍，投影出芯片尺寸的光图案。   

在光刻工艺过程中，会在半导体材料（比如二氧化硅）表面涂上一层光刻胶，光刻胶中遇到亮光照射的区域会发生光化学反应，溶解于加入的显影液之中（以正向光刻胶为例），出现了微小凹洞，造成这些区域的材料表面暴露出来，可以被刻蚀而去除，而剩余区域的材料表面在完好光刻胶保护下不会被去除，最后完成使命的剩余光刻胶也会被特殊液体溶解去除。这样设计好的电路版图就转换为了半导体材料表面相应的高低起伏的“地貌”，像一件微米纳米尺度的微雕作品一样，或者像一个微型的迷宫。同样的过程还往往会重复进行数次甚至数十次，半导体材料变得像一个“层次分明的婚礼蛋糕”，具有复杂的多层三维结构。

当然光刻的真正工艺流程要比以上描述复杂很多，一项如此精密的工程中，每一道工序、每一处细节都有可能影响最终加工出芯片的良品率。差之毫厘，就会谬以千里，比如仅仅因为一场雷雨过后，空气气压发生微小变化，稍微改变光线折射方向，就可能造成芯片上电路图案的扭曲。在光刻机中，为了让光照图案与芯片完美对齐，能够通过折射改变光线方向的透镜器件需要足够高的精度。日本尼康（Nikon）公司传统上就是透镜生产商，以此为突破口，在20世纪80年代异军突起，进军光刻机行业，凭借更可靠的质量和更低的故障率，与另一家日本公司佳能（Canon），共同击垮了曾经盛极一时的美国GCA公司。

在光刻技术发展的早期，每个晶体管的尺寸明显大于光波长，几乎不会出现明显的衍射效应，使用什么波长的光无关紧要，使用普通可见光（390纳米至780纳米，取决于不同颜色，紫色光最短，红色光最长）即可，但后来随着晶体管变得越来越小，逐渐接近光的波长，投影的光点会因为衍射而变模糊，造成精度下降。要想继续保证光刻的精度，在芯片上加工出更准确的细节，只能使用比可见光中紫色光波长还要更短的紫外光，最开始是波长为248纳米或193纳米深紫外光，再后来是波长仅为13.5纳米的极紫外光（EUV）。   

成立于1984年的荷兰阿斯麦（ASML）公司，原本源自从飞利浦公司拆分出的光刻部门，最初作为“甩出的包袱”一度陷入经营困境，但如今成为全世界光刻机生产的霸主，很大程度上得益于EUV光刻机的研发。ASML以20世纪90年代美国几家国家实验室的初步研究成果为起点，花费了二三十年时间和巨额资金投入，才实现了极紫外光（EUV）光刻机的商业化生产。如书中所介绍，EUV光刻相比于传统的可见光光刻，不仅仅是把一个波长光换成了另一个波长光那么简单，还带来了一连串的新挑战，困难重重。

首先，不同于可见光随处可见，EUV的光源需要专门设计，解决方案是通过高功率激光照射高速运动的微小锡金属球，小锡球的运动速度相当于每小时300公里以上，而小球的直径只有30微米，当小球被加热到 50 万度的高温时，变为了等离子体，可以释放出波长 13.5 纳米的极深紫外光。而制造这种EUV光源所需的专门二氧化碳激光器也非易事，激光功率强度，每秒发射的激光脉冲数，光束对准和聚焦，散热设计都至关重要，每个激光器就包含了457,329个元件。

有了光源之后，还需要控制EUV光束传播方向，适用于可见光的透镜无法用于EUV。EUV的波长和特性都接近于X光线，容易被很多材料吸收，却不容易被反射。为了完成EUV反射镜这一不可能完成的任务，研究者将钼与硅两种材料薄层交替堆叠，每层厚度只有几纳米，反射镜像千层糕一样共有100层。不仅如此，镜子表面几乎是绝对光滑的，杂质几乎少到难以察觉的程度，并且使用时要保证几乎完全静止不动。设计者号称这样的反射镜操纵起光束方向来，精度相当于将一束光击中远在月球上的高尔夫球。

除此之外，EUV光刻机也离不开软件算法的帮忙，由于初始投影出的图案与实际印在芯片上的图案会出现相当的差异，需要模拟EUV光场的传播过程，根据实际想要在芯片上加工出的图案，反过来推算出应该在投影光源端生成什么样的图案。   

而生产这样一台包含几十万个零件的精密EUV光刻机，不仅技术复杂，还需要建立庞大的国际商业网络，从全世界上千家不同上游供应商采购符合严格要求的零件。由于惊人的高成本，每台EUV光刻机的价格自然不会便宜，例如2018年中芯国际从阿斯麦购买的一台EUV光刻机，就花费了1.2亿美元。

由此可见，一项颠覆式的光刻机新技术从最初想法到最终产业化，要经过非常漫长的道路。近期有自媒体消息称，有一种鬼才设计的光刻机新方案，从足球场大小平地起一个超大型EUV光源，一开机跟死星启动一样，单台加速器光源带数台甚至数十台光刻机的光刻厂，“赢麻了”。尽管《芯片战争》一书中没有提及这项技术，以同步辐射加速器作为EUV光源确实也是一条可能的技术路径，不过在传言中被高度夸大了。该技术作为一项处于实验室研究阶段的设想，可以预期，距离商业实用还需要较长时间。

那么《芯片战争》一书中有没有遗漏与芯片有关的重要光学“知识点”呢？光芯片会是其中一个。近年来，集成光子学迅速发展，光子器件也可以和电子器件一样集成到一块芯片上，并且展示出独特优势。2023年10月，清华大学团队在Nature期刊上发表了一篇论文[3]，展示了一款全模拟光电融合智能计算芯片，在图像视觉识别任务中，取得相同准确率的情况下，相比于现有高性能电子芯片，算力性能可以提升3000倍，能效提升高达400万倍。光芯片在未来也有望成为芯片战争的新赛道，从电芯片发展历史来看，早一步布局新技术的公司或者国家，往往能赢得先机，进而长期作为领跑者，保持对于竞争者和追赶者的优势，因此光芯片相关的研究也越来越被各界所关注和重视。