国产光刻机何时能有突破？

世界最好的光刻机公司是荷兰的ASML:7nm工艺，国产光刻机工艺为90nm；中国何时能研发出领先世界的光刻机。

某些国家总是趾高气扬地认为中国人造不出DUVi和EUV，大量1450也在网络上各种唱衰这类设备，从而唱衰中国半导体产业。大量中国网民不明所以，自信心深受打击，也跟风自我贬低。这将让大量为此孜孜不倦，努力研发的科学家寒心！
今天本文就是想通过事实分析告诉大家，一定要对祖国有足够信心！涡扇15都量产了，晶圆曝光设备DUVi和EUV还会远吗？国产DUVi量产交付之时就标志着我国拿下最后的工业明珠，也标志着某些国家的科技霸权分崩离析！




歼20疑似安装2台涡扇15

春江微暖鸭先知，估计荷兰ASML早已获悉，我国自主研制的DUVi差不多要量产交付了，所以至今仍然不限量供应NXT：1980Di。这可不是人家心软，而是我国同类产品即将量产交付，卖不卖NXT：1980Di都不会影响我国半导体产业进步速度。
实际上，官方机构早已公布了我国DUVi四大关键零部件的进展。

DUVi由ArF光源、NA1.35物镜系统、浸液系统、双工件台四大系统组成，目前我国均已造出。
1、ArF光源
2022年3月18日，中科院微电子研究所在官方网站发布了《2021年年鉴》，文中提到：完成28nm浸没光刻机曝光光源10mJ@4KHz工程样机交付整机使用及15mJ@6KHz原理样机研制。




中科院微电子研究所官网报道截图

10mJ@4KHz光源工程样机指的是输出功率为40W的ArF光源，用于DUV曝光设备，最高支持65纳米制程工艺。15mJ@6KHz光源工程样机指输出功率为90W的ArF光源，用于DUVi曝光设备，结合浸液系统，最高支持7纳米制程工艺，若不考虑成本，可以做到5纳米制程工艺。这还是2020年的成就，经过近3年时间，足以量产90W的ArF光源。
2、物镜系统
支持DUVi的物镜系统NA值要达到1.35，国内一般称为“高NA浸没光学系统”。随便搜索都能查到官方验收时间为2018年3月3日。




物镜NA数值孔径变化趋势

虽然目前公开信息无法查到NA1.35物镜系统的产业化信息，但根据以往经验，产业化耗时也就1～2年而已，预计目前NA1.35物镜至少完成2代迭代改进！
3、浸液系统
杭州市临安区人民政府于2022年6月14日发布的一份题为《杭州市临安区经济和信息化局关于区政协十届一次会议第203号提案的复函》的文件当中提到，“光刻机浸液系统项目、光刻机受制约关键零部件国产化产品研发项目等两个02专项，其中，光刻机浸液系统项目已成功交付0号样机、1号机，进入产品制造阶段。华卓精科承担的02专项光刻机工件台项目加快建设。”
这足以证明，截至2022年6月14日，DUVi所需的浸液系统已交付至少2套。
3、双工件台
早在2020年，华卓精科就宣称，公司DWS系列光刻机双工件台可实现优于4.5nm的运动平均偏差，已于2020年4月向上海微电子发货；公司的DWSi系列光刻机双工件台运动平均偏差优于2.5nm，可应用于ArFi光刻机，有望于2021年实现生产。
据了解，ASML的NXT：1980Di的套刻精度正好就是2.5纳米。现在回头来看，发现西方国家的情报非常精准！ASML不允许高于NXT：1980Di的DUVi设备出口我国，可谓精准卡位！
2022年5月10日，《中国光学期刊网》一篇名为《超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器》的研究论文也证实，超精密激光干涉仪已经用于28纳米节点DUVi样机。




论文证实，国产DUVi已造出样机

由于DUV已经出货，这点从上海微电子官方网站就能得到证实，而DUVi仅比DUV多了浸液系统，无需原理验证，这里的DUVi样机只能是工程样机。




上海微电子官方网站截图

由于DWS双工件台套刻精度仅为4.7纳米，而且仅支持DUV设备，并不能用于DUVi，而DUV最高只能支持65纳米节点制程工艺，无法用于28纳米节点制程工艺。因此支持28纳米节点的前道曝光设备只能是DUVi，而支持这种设备的第一代华卓精科DWSi双工件台套刻精度为2.5纳米。据此我们可以反推出华卓精科研制的套刻精度为2.5纳米的DWSi双工件台起码在2022年5月就已至少交付1台！
综上所述，国产DUVi至少已经发展到ASML公司NXT：1980Di水平，如果双工件台套刻精度能够进一步提升，那么做到NXT：2000i或者NXT：2100i也是有可能的！国产DUVi具体达到什么水平呢？就让某些不怀好意的国家慢慢猜。
据了解，当年台积电第一代7纳米制程工艺就是用NXT：1980Di/NXT：1970Ci量产的。因此，我国自主研制的DUVi已经可以支持7纳米制程工艺了！只要能够量产7纳米制程工艺，就足以满足绝大部分种类处理器生产工艺需求。




NXT：1980Di设备官网介绍截图

造出DUVi只是第一步，仍然需要时间调试，才能顺利量产7纳米工艺，我们仍然不能掉以轻心！仍需加紧研制EUV，才能彻底解决制程工艺卡脖子难题！
这或许就是我国仍在引进ASML公司NXT：1980Di曝光设备的主要原因，目的是为国产DUVi调试、改进、完善和发展成熟争取更多时间。

2022年我国进口芯片的数据如下:
数量: 5384亿颗
金额: 4156亿美元≈3万亿人民币
民用+商用，我知识浅薄，还没见过比这个更大的赛道
这个规模的蛋糕就没人想上去啃几口？
早晚的事儿

其实我一直都不清楚，美国怎么走了打压我们芯片制程这样的一步臭棋。
别看网上说的光刻机有多难多难的。但是这个东西只要有需求，突破就是一个迟早的事情。
原因很简单。
但是也不是像有些人说的那样中国人的体制，还有什么聪明的大脑，什么爱国心之类的。
这都是胡扯。
最大的驱动力就是经济前景。
因为对于中国来说，半导体的市场规模近万亿。只要我们突破了技术，那这个市场基本上我们可以拿下大头。
光刻机研发前面的路都已经被其他人趟平了。只需要按照别人的路走下去就一定可以。
有人说，你在后面追的话，别人还是在前面跑。你不是永远的追不上吗？
那可就说错了。
我之所以是我们必然会追上，就是有一个前提，就是在我们前面的人现在已经走不动了。
不要看现在那个ASML说什么中国造不出来。要是他们真的一直在出新的，功能更强大的光刻机，那当然是追不上的。
但是现在硅基芯片在五纳米之后，就基本上达到了它功能的极限了。
也就是说，在五纳米之后。芯片的制程基本上也就是到头了。
也就是说，在芯片领域，对方已经前进不了了。
而对于我们来说，就算是走的再慢，还是在前进，只要是前进，那就一定可以追上对方。
对于我们这样体量的国家来说，只要我们追上，基本上就没有他们什么事情了。那也就是说，近万亿的芯片市场会被我们慢慢的蚕食。
这是多大的经济驱动力啊。
有人看到这里会说，不对，人家还会出什么碳基芯片。
呵呵，这就是开玩笑了。
碳基芯片要是能够出的话早就出了。
而且就算是他们使出吃奶的力气，真把那个碳基芯片弄出来了。
信不信这样的事情对于中国来说，那绝对是一件好事。
因为对于碳基芯片来说，就是一个新的事物。我们和对方的起跑线基本上是一样的。要是公平竞争的话，我们大概率会复制一次新能源车的崛起。
他们在硅基芯片上的优势在碳基芯片上，根本没有那样的大。

估计是个十年级别的漫长过程。
其实回顾国内工业的种种突破，真正有难度的比如推重比10的涡扇发动机，从十几年前就不断有消息说：突破了、定型了、小批量了，到了今年才算上了歼20有了真正的眉目。但是也刚到30年前美国水平，只是最近30年，前面的几个对手没怎么发展。有点儿像光刻机，其实发展也受物理极限限制，也快发展不下去了，也要靠一些文字游戏来修改制程命名方式了。
我也不懂光刻机，但是我一直在观察美国人对各种先进产业封杀过程和背后的逻辑。他们不是没有明白人、尤其中国国产光刻机的进度是瞒不住美国的，因为国内比较大的芯片厂，很多都是台湾省的能人在主持，我们新设备也是需要他们来评估，所以具体水平怎么样美国人一定知道。比如美国刚刚解除了对我国蚀刻机的禁运，显然是因为中国突破了。解除禁运反而有利于通过市场来遏制中微半导体的蚀刻机市场占有率，他们的评估和行动显然是基于非常精确情报和理性分析的。
然而从拜登去年强封锁的动作看，光刻机不像是真正突破了，反而像是真正到了比较艰难的突破前夜。现在的情形分析，美国的止损点应该是扼杀掉我们刚刚上来的记忆体产能，美国希望通过DUV封锁，让中国退出记忆体市场。可见他们的止损定在我们退半步，而不是他退半步的预期上，所以中美最近谈什么都谈不下去。如果美国的情报是我们的光刻机行了，可以负担7 纳米制程以上，次一等的运用，理性上应该会放松DUV，因为没意义了，中美外交上可能也会暂时休兵，但是并没有。特朗普时代，我国仍然可以购买DUV，现在反而不行，甚至已经购买的都不管售后了。
所以同样逻辑我其实比较赞成我国之前在光刻机投入不多的策略。最近二十年我国产业爬坡其实是很快的，从面板到内存，一点点吃上来。当然主要抢的是日韩的市场，这和黑帮差不多，火并是迟早的，但是如果你总是给老大面子，可以在他手下那里抢几条街，但是别在他最在乎的核心生意上挑衅他。，这样还是能拖到比较有利的时机。但是现在却是比较尴尬的点，可能短板还比较多，特朗普又是个有匪气敢翻桌子的人。怎么说呢，眼下就是夹生饭了，哪怕十年或者短一些或者更长，也要吃了。

英伟达股价连日飙涨，市值在 5 月 30 日一度突破 1 万亿美元，成为全球第一家市值突破 1 万亿美元的半导体制造商。诚然，ChatGPT所引发的AI算力狂潮和游戏业务，带来了稳定的基本盘，也给了英伟达绝对的硬实力。




在ChatGPT布局背后，就要用到1万枚左右英伟达GPU。但由于摩尔定律逐渐接近极限，我们未来可能迫切需要寻找，其他技术来维持算力的趋势。
在这个背景下，“使用光传输代替电传输”已成为一种重要而值得探究的方案。




英伟达实现了美国历史上第二大单日最高市值涨幅

很多人可能听到这些新颖又复杂的概念就头大了，这是哪里来的新名词。其实光芯片早就问世，并且已经非常成熟，但大多数光芯片都是不可编程的光学线性计算单元。
要打造能够通过光来提升算力的实际应用，计算单元必须具备可编程性，让我们能够根据需要对其进行个性化优化。如今，这种光芯片已经取得了突破性进展，尤其在过去10年，其发展势头可谓迅猛。




“后摩尔时代”中寻找新的算力增长点的主要技术路径

在大多数情况下，光学信号与散射介质之间的互动具有线性特征，这意味着它们可以被看作是一种线性计算。我们生活中存在许多光学线性计算的例子，就像照相机镜头一样。当光信号穿过镜头时，它经历了两次二维空间光学傅里叶变换并最终形成了图像。




超快可编程光子芯片

而光芯片就以光为信息载体，是与电芯片平行发展的器件集成体系。通过对光的处理和测量实现信息感知、传输、存储、计算、显示等功能。



首先，相对于电芯片的单一材料体系，光芯片采用了多种材料平台，包括硅系、玻璃、聚合物、二维材料和Ⅲ-Ⅴ族半导体等。就市场规模和产业落地情况而言，目前Ⅲ-Ⅴ族光子集成体系、硅基光子集成体系和平面光波导（PLC）光子集成体系等材料平台在未来光芯片产业中具有较高的经济价值。




杭州光学精密机械研究所展示的反射式体光栅

光量子芯片不仅可以通过自带的激光器产生光子，利用光子代替电子进行各种逻辑计算，还具备半导体芯片的能力。同时功耗更低。
相较于电子，光子的运动速度更快，功耗极低，因此光量子芯片的性能比普通芯片高出数倍甚至好几百倍，同时功耗仅为普通芯片的一小部分。




光计算发展模式及主要技术概览

一旦得以广泛应用，光量子芯片有可能彻底颠覆整个半导体行业。这就是你能想象到隔壁邻居家的孩子，天赋比你高，比你还努力，还会做家务，打酱油的时候还会帮妈妈讲价钱。




MIT仿真结果表明，光子芯运行效率是电子芯的1000万倍

同时，就在21年2月，中国的QUANTA团队，来自国防科技大学计算机学院，与军事科学院、中山大学等国内外单位合作，成功研发出一款新型可编程硅基光量子计算芯片。该芯片能够实现多种图论问题的量子算法求解，而且无需使用传统的光刻机制造方法，被广泛看作是一项绕过光刻机的重大突破。




国际权威期刊《Science Advances》已发表该成果

一旦光量子芯片成功商用，诸如7nm、5nm等制程工艺的研究将失去原有的意义，芯片制造领域也将迈进一个新的里程，我们将突破芯片制造被卡脖子的困境。




研发的主力军

可别小看了这点进步。目前，各国都在探索研制可编程光量子芯片这个全新领域，尽管，这是一个充满风险的挑战。但我国仍然坚持投入大量资源和精力进行研究，就是看到了其光明的前景。




首先，量子技术是推动未来社会发展的重要动力，在光量子芯片领域的研究将有助于促进整个量子技术的发展。通过在该领域领先于其他国家，我们有可能引领量子时代的到来。




量子创新院云平台，面向公众开放

第二, 目前市面上使用的芯片主要来自西方国家，由于这些关键技术都被他们垄断，带来了极大的安全隐患。因此，我们必须发展属于自己的芯片技术，以确保国家安全和稳定。




MIT初创公司发布全球首个光子AI芯片原型

第三, 光量子芯片的研发不仅仅是为了避免西方技术封锁，更是与国家的安全和发展息息相关。一旦实现国内完全量产，西方国家就无法再阻挡我们的芯片技术发展。这将使我们成为掌握关键技术的“造芯强国”，加速中国芯片产业崛起。




Nature接连发布光子AI芯片论文

最后，回到我们当前。我们目前火热的Ai大模型90%的计算任务都是矩阵计算。光芯片矩阵计算方面可谓是相当擅长。它可以将光波的频率、波长和偏振态等信息转化为不同的数据，利用不同的数据代表不同数据参数。




脉动矩阵计算和光子矩阵计算延迟对比示意图

此外，光子在交叠传输时也比较强大，就像两束手电筒的光束交叉时形成一道带“X”形状的光影，这两个光束穿透彼此，不会互相干扰，从而实现更高效的数据传输和计算。
如果将光子看做是矩阵计算中的高速公路，数据经过光子传输后，就像快车道上的车辆那样，可以很顺畅地到达目的地。




我们前面提到了很多优势所在吗，但光芯片作为前沿技术，有待克服的难题还是比较多的。
首要问题是要用于复杂计算，必然需要大量的光器件，达到不错的性能至少需要上万个。这种要求会带来更加复杂的结构和更大的尺寸，并且为了实现可编程，还需要对每个器件进行控制，这也要求高集成度。
这些设计要求会产生一系列工艺挑战并增加成本，同时影响整体稳定性和产品的良率。因此，我们需要找到一种低成本、高良率的方法来控制大量光器件，并提高整体性能和稳定性。




瑞士的科学家发明了一种新的液冷散热系统

另外，光芯片对于环境温度的控制也需要一定的注意。由于光信号也需要获得高精度的计算结果，因此整个系统的温度变化会对其造成影响。




在氮化镓电路上放置冷却液通道

当两个器件靠近的时候，如果其中一个器件产生了大量发热，就有可能会影响到周围的器件。这种情况跟自己身体某一部分发热，造成周围人不适应类似，需要解决这些传导问题。




世界第一款光子计算芯片原型板卡运行 MNIST

还有一个最大挑战就是精度问题。因为光计算属于模拟计算，而物理本质决定了其精度不可能与数字计算相媲美。虽然实现高精度（例如12比特、16比特）是可行的，但所需代价较大。因此，核心在于寻求合适的应用场景。




而这些对中国来说，最迫切的问题还是打好硬件的基础。中科院上海微系统所，超导电子研究室主任，尤立星说：”我们国家这么多年发展，都是先挑软一点的东西做，但是真正到了中美竞争时很容易被卡脖子，就是因为我们的硬件基础还非常弱，尤其是在光芯片上的硬件上，需要花很长的时间打好基础。“”
所以需要关注芯片制造的底层技术，才能谈到光子芯片、光量子计算的未来。



全球都在战略布局，争夺未来的制高点，这一领域，中国不能输。光芯片看起来是很不错的技术路径，但到底多久才能落地？贴近我们显示生活的商业化落地。目前看来，当下市场中，其中两种比较快的商业化路径思路。
首先，不立即寻求完全替代电计算，而是强调通用性，并在光电混合的新型算力范式上取得最大化的效果，同时不改变基础架构。其次，就是将光芯片模块化，注重在计算领域以及片间传输光模块的“即插即用”应用，而非仅在单一方面追求。




曦智科技《大规模光电集成赋能智能算力网络白皮书》

这听起来很拗口，其实简单来说就是打造一个通用的解决方案。生产商和客户最主要的关切点之一是通用性。尤其是大型客户更迫切地需要产品实现“开箱即用”，而不需要过多修改底层框架，以便最大限度地减少学习成本，并适配到当前成千上万个应用场景中。
就好像苹果一样，打造一个通用的墓碑机制，你无论怎么在软件底层做动作。只要我把你切换到后台。你就得老老实实地待着。




无锡光子芯片研究院大楼效果图

虽然光计算还没有完全落地，但硅光芯片每个产业链环节的全面性，是光计算芯片量产的前提。并且晶圆厂也无需为光芯片重新开发一整套工艺，很多工艺都是通用的。
并且，光子计算这个方向在过去五年中逐渐变热，除了像英伟达这样的芯片设计巨头有布局，最近2-3年国际上一些晶圆厂、EDA公司、封测厂等等，也开始正式布局硅光产线。至于，还要多久能看到，ChatGPT的回答可能比我更加合理。




暨大光子技术研究院课题组部分成果展示

不可否认的是，相较于部分发达国家，我国光芯片技术产业的整体生态建设仍不完善。并且，总体来讲，在实现光芯替代的路上也还有很多重大的工程改进需要完成。
而当下的人类社会对提升算力的追求，正比以往任何一个时刻更加迫切。不过和过去的种种尝试相比，现在可能是最好的时机，也是最接近实现的一次。做好当下每一步，永远比喊好激动人心的口号强。