撰文 | Clive Thompson
约在 2001 年，彼时尚处于光刻行业边缘的 ASML（编注：阿斯麦，荷兰的全球半导体巨头企业） 做出了一项孤注一掷的押注——极紫外光（EUV）。尼康和佳能也曾涉足该领域，但最终选择退出，唯有 ASML 坚持到了最后。这是一条前人从未涉足的荆棘之路：如何稳定产生这种光？又如何实现聚焦？要知道，普通玻璃透镜会吸收 EUV 光，甚至连空气分子都会将其吞噬。因此，设备必须在超高真空环境下运行。
ASML 原本预估 6 年即可攻克难关，但实际耗时 16 年，投入研发资金约 100 亿美元。这台机器的运作原理令人叹为观止：它通过激光轰击气化的熔融锡滴来产生 EUV 光，再利用一套极度精密的镜面系统引导光路。作为长期的合作伙伴，德国光学巨头蔡司不得不从零发明新的镜面抛光与检测技术，甚至动用离子束来剔除镜面上微乎其微的瑕疵。
“他们某种程度上无视了外界那些怀疑的声音，比如‘嘿，这东西永远不可能成功’，”如今供职于芯片行业研究机构 SemiAnalysis 的分析师杰夫·科赫（Jeff Koch）评价道，“他们就是一头扎进那些巨大的工程难题里，硬是把问题给解决了。”
2017 年，首批 EUV 光刻机上市时，单台售价远超 1 亿美元。当时，台积电、三星、英特尔等芯片制造巨头甚至怀疑，这笔高昂的投资是否真的具备足够的市场需求。毕竟，在等待 EUV 成熟的漫长岁月里，光刻行业已经开发出了许多精巧的“障眼法”来压榨旧技术潜力——例如通过在晶圆上方加一层水（浸润式光刻），实现更精细的聚焦。在那段时期，很多人认为 EUV 并非必需品。
然而，ASML 赶上了一个由人工智能开启的宏大时代。
EUV 问世数年后，OpenAI 相继发布 GPT-3 和 ChatGPT，人工智能浪潮席卷全球。随着 OpenAI、Google、Meta、Anthropic 等巨头争相构建大规模服务器集群以训练模型，高端芯片的需求呈现爆发式增长。EUV 技术让面向 AI 的芯片设计制造变得更高效、更具可行性。英伟达（NVIDIA）也顺势推出了专为 AI 训练打造的顶级 GPU，尽管单颗售价高达 4 万美元，各大科技巨头依然趋之若鹜。
随着 AI 军备竞赛的打响，EUV 光刻机瞬间成了市场上的“硬通货”。
ASML 的财报印证了这一爆发：2025 年，公司向全球客户交付了近 50 台 EUV 光刻机，营收逼近 400 亿美元。截至发稿时，ASML 的市值已突破 5,000 亿美元大关。
近日，ASML 造了一台更强的光刻机：它的分辨率只有 8 纳米，大约相当于 40 个硅原子的宽度。现在，这些设备已经开始发往芯片制造工厂，也就是晶圆厂。价格同样惊人：每台 4 亿美元。
行业对“缩小”的不懈追求成就了 ASML 的统治性力量：全球约 90% 的芯片光刻工具出自这家公司。你要造芯片，就绕不开 ASML。
这就不得不面对一个现实，芯片制造领域实际上由两大玩家控制：ASML 制造光刻机，台积电使用 ASML 的机器制造全球绝大多数微芯片。垄断就意味着不确定，美国政府曾施压荷兰政府在 2019 年实施禁运令：禁止 ASML 向任何中国企业出售高端机器。
光刻初创公司 Substrate 的联合创始人兼 CEO 詹姆斯·普劳德（James Proud）认为，这种局面并不理想。他表示：“巨大的能力集中在少数几个玩家手中，而整个供应链又非常昂贵。”
这就是为什么在 ASML 统治行业二十年之后，挑战者开始涌现：中国正砸下数十亿美元试图复制 ASML 的技术；Substrate 这样的初创公司也想加入战局，目标是制造出比 ASML 这些庞然大物更便宜、更小，甚至能力更强的光刻机。
它们会成功吗？至少在不远的未来，ASML 仍将占据主导。但正如 ASML 的工程师们深知的那样，只要掌握了正确的光之技巧，巨人也可能被撼动。
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中国想自己造
ASML 的新机器并不缺潜在买家。但在当前国际出口管制环境下，中国企业暂时无法获得这类最先进的 EUV 光刻设备。
美国希望限制中国在先进 AI 芯片及高端半导体制造领域的发展能力。2017 年，ASML 开始销售第一代 EUV 光刻机后，美国政府向荷兰政府施压，推动相关出口限制，禁止 ASML 向中国企业出售最先进的 EUV 设备。与此同时，美国也对中国通信企业华为实施出口管制，限制美国企业与其在 4G、5G 设备等领域的合作。
这些举措进一步凸显了半导体供应链安全的重要性，也促使中国加快推进关键核心技术自主可控。近年来，中国持续加大对先进光刻、半导体制造设备和相关基础技术的投入，试图在受限条件下提升本土制造能力。
一方面，中国确实希望提升本土高端芯片制造能力，减少对外部单一供应链的依赖。另一方面，先进 EUV 光刻机是高度复杂的系统工程，涉及光源、光学、材料、精密机械、控制系统、软件和供应链协同，并不是短期内可以轻易复制的设备。
与商业化的 ASML 设备不同，中国在探索本土 EUV 技术时，未必一开始就必须达到每小时约 200 片晶圆的成熟量产效率。对处于技术突破阶段的研发体系来说，即便产能较低、成本较高，只要能够形成可验证的技术路径和工程经验，也有助于逐步降低对外部供应的依赖。
不过，多位专家指出，要真正稳定地产生、控制并利用 EUV 光，仍可能需要多年积累。与此同时，中国预计会继续深挖深紫外光刻，也就是 DUV 技术的潜力。DUV 是上世纪 90 年代发展起来的成熟技术，通过多重图案化等方式，虽然效率较低、流程更复杂，但仍可以在一定程度上支撑更先进制程的制造需求。
AI 竞争也在推动中国探索另一条路径：在硬件受限的情况下，通过软件、算法和系统优化来提升大模型能力。在美国，OpenAI、Anthropic 和 Google 等公司竞相采购大量高端英伟达芯片；而中国企业由于无法以同样方式获得最先进芯片，正在更加重视模型架构、训练效率和推理成本优化，DeepSeek 等更轻量化的大语言模型就是其中代表。
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越来越小
为进一步缩小芯片特征尺寸，研发团队决定在现有 EUV 光源的基础上，将光刻机的数值孔径（NA）从 0.33 大幅提升至 0.55。这项被称为“高数值孔径极紫外光刻”（High-NA EUV）的技术可使晶体管尺寸减半，芯片密度提升近两倍。由于无需开发全新光源，此次升级属于技术的渐进式演进。
尽管如此，新系统的开发仍面临严峻的光学挑战。高数值孔径使得光线以更陡峭的角度照射掩模版，加之掩模版图案具有三维结构，大角度入射会引发“阴影效应”，从而降低成像清晰度。为此，研发团队引入了非对称成像设计，将掩模版图案长宽比拉伸至 2:1，并同步重构了镜面系统的光线缩放与传输机制。
然而，这种设计改变导致单次扫描的曝光面积减半。为维持每小时约 200 片晶圆的工业级产能，必须大幅提高扫描速度。工程师对整个运动组件进行了轻量化重构，使得掩模版的最高加速度达到了 22g，同时晶圆台必须以极高的速度与之保持完美同步。
在光学部件方面，德国蔡司（Zeiss）团队为其研制了适配高 NA 与非对称光束的新型镜面系统。新镜面尺寸翻倍，负责光线投射的系统总重增至 12 吨，达前代设备的 7 倍。为此，蔡司专门投建了机器人辅助生产线，制造出了该公司迄今为止最平滑的镜面。
在光源功率方面，为进一步缩短单次曝光时间，ASML 对 EUV 光源系统进行了强化。通过将单颗锡液滴的激光击打次数由两次增至三次，成功提高了 EUV 光功率输出。这一升级要求锡滴发射系统提速 50%，也导致激光发生器体积剧增，单台设备的激光系统规模如今已需占据一整间机房。
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谁先用？
作为 ASML 高数值孔径（High-NA）极紫外光刻机的首位商业客户，英特尔已于 2024 年春季在其俄勒冈州晶圆厂完成首台设备的部署与测试。英特尔计划采取渐进式导入策略，率先将其应用于高精度芯片部件的制造，并有望于明年正式投入规模化生产。
此举是英特尔 2021 年晶圆代工业务战略转型的核心。在错失移动互联和 AI GPU 时代（苹果、英伟达及谷歌等主要客户转向台积电代工）后，英特尔旨在通过率先掌握 High-NA 技术，在先进工艺制程中建立优势，从而正面挑战台积电的行业主导地位。
High-NA 技术的引入大幅简化了先进制程的芯片设计与制造流程。过去，为突破老一代光刻机的物理极限，业界广泛依赖“多重图案化（多重曝光）”技术——将单层微小结构拆分为多个图案进行多次曝光。该工艺虽延长了旧设备的寿命，但显著增加了设计复杂度并拖慢了生产效率。High-NA 光刻机使高精度特征的“单次曝光（Single Patterning）”成为可能，从而有效突破了这一技术瓶颈。
尽管业内分析认为英特尔实现“弯道超车”难度极大，但在当前 AI 与高性能计算芯片需求激增、台积电与三星产能紧缺的背景下，英特尔作为全球仅有的三家先进代工企业之一，完全有能力凭借承接庞大的“溢出需求”在市场中站稳脚跟。
相比之下，台积电对 High-NA 设备采取了保守的观望态度，预计在 2030 年代前不会进行大规模部署。其核心考量在于：高昂的设备成本，High-NA 设备单价高达 4 亿美元，引入成本极其高昂；边际效益递减，业内分析指出，相较于初代 EUV 带来的革命性飞跃，High-NA 仅属于渐进式升级，能力提升幅度约为 30% 至 50%。
基于上述原因，台积电更倾向于在现有 EUV 设备上继续深挖“多重图案化”技术的潜力。只有当现有技术路径触及绝对物理极限、不得不进行范式转换时，台积电才会大规模切入 High-NA 时代。
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挑战者
ASML 绝对的统治地位以及日益高昂的设备成本，正催生出一批新兴的技术挑战者。这些初创公司无意在 EUV 赛道上重走 ASML 的老路，而是试图另辟蹊径，开发基于全新技术原理的光刻设备。他们宣称，这些新工具将兼具颠覆性的低成本与毫不逊色的强大性能。
创立于旧金山的 Substrate 便是其中之一。这家成立仅四年的初创公司，正致力于研发利用粒子加速器产生 X 射线的光刻系统。X 射线极短的波长赋予了其雕刻极限微小结构的潜力。尽管传统的粒子加速器体积庞大，难以集成于芯片产线，但 Substrate 宣称，得益于粒子加速领域数十年的科学积淀，他们已成功将其打造为尺寸更小、适合大规模量产的新型光源。
去年公布的图像显示，Substrate 已能刻画出目前仅有 High-NA EUV 设备才能实现的超精细图案。值得注意的是，其 CEO 普劳德并不打算将这些设备出售给台积电或英特尔。Substrate 的野心在于建立自有的晶圆厂，利用自研设备实现芯片的闭环制造，并计划在 2030 年前实现规模化量产。
普劳德认为，当前半导体行业由于高度集中且成本高昂，亟待开辟新径。如今建设一座先进制程晶圆厂的成本已飙升至 250 亿美元（相比 2010 年代约 50 亿美元），这导致单片先进晶圆的制造成本逼近 10 万美元。普劳德直言这一成本“高到令人难以承受”，且现有僵化的供应链难以灵活应对市场需求的暴增。
“未来我们所需的芯片数量，将比当下最大胆的预测还要高出几个数量级。”普劳德断言。
通过垂直整合芯片制造的各个环节，以及采用架构更为精简的光刻工具，Substrate 预计能将成品晶圆成本大幅压低至每片 1 万美元——仅为行业未来预期成本的十分之一。然而，Substrate 对技术细节的高度保密也引发了业界的审慎态度。有分析师警告称，试图同时攻克全新光刻技术和建立高吞吐量晶圆厂可能脱离现实，其封闭的态度也违背了半导体行业赖以发展的开放式创新共识。
与此同时，总部位于挪威的初创企业 Lace Lithography 正在探索一条完全摒弃“光”的路线。他们的方案是将一束被激发的氦原子射向掩模版，当氦原子撞击晶圆时，通过能量传递完成图案转移。
相较于波长 13.5 纳米的 EUV 光，氦原子束能提供惊人的 0.1 纳米级理论精度，且设备功耗更低、体积更小。公司 CEO 博迪尔·霍尔斯特（Bodil Holst）表示，这套看起来像火箭发动机的系统，目标是在 2029 至 2030 年间向晶圆厂正式发售。
面对初创公司的挑战，ASML 保持着密切关注与绝对的技术自信。ASML 技术执行副总裁乔斯·本绍普（Jos Benschop）指出，Substrate 缺乏公开的技术细节使其可行性尚无法评估；而对于 Lace 的原子束技术，他认为其在晶圆上刻画的图案深度不足，难以转化为可行的大规模量产产品。
塔夫茨大学国际史教授、《芯片战争》一书作者克里斯·米勒（Chris Miller）也补充道：“我们最终肯定会拥有 EUV 之外的替代方案，但历史表明，光刻技术的范式转型往往需要耗费数年甚至数十年的时间。”
在坚信目前没有真正严肃的第二名的同时，ASML 也在积极规划自身的下一个十年。高管团队并未止步于现有的 High-NA，他们正在研发将数值孔径进一步提升至 0.75 的 “Hyper-NA” 技术，这一突破有望实现 6 纳米的惊人分辨率。
为了降低晶圆厂的换代成本，ASML 正致力于平台标准化——希望将标准 EUV、High-NA 以及未来的 Hyper-NA 模块统合至相同尺寸的机器平台中。如果计划顺利，Hyper-NA 设备预计将在七八年后推向市场，并于 2030 年代后半叶实现批量部署。
“我们正在不断挑战物理学的极限。”ASML 首席技术官彼得斯说道。眼下，行业的主导权依然牢牢掌握在 ASML 手中。留给未来的悬念只是：是否真的有破局者，能将这个极限推得更远。
本文经授权转载自微信公众号“麻省理工科技评论APP”。
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