不吹牛的說(shuō),市面上存在的東西就沒(méi)有我們?cè)觳怀鰜?lái)的,荷蘭人這句話說(shuō)得有點(diǎn)過(guò)了,而且荷蘭人已經(jīng)被打臉了。
白手起家制造原子彈
很多人認(rèn)為制造光刻機(jī)比制造原子彈要難得多,導(dǎo)致越來(lái)越多的人認(rèn)為原子彈很容易制造的假象,其實(shí)絕非如此,中國(guó)第一顆原子彈耗費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力。
1955年,新中國(guó)成立幾年時(shí)間,科技實(shí)力和經(jīng)濟(jì)水平十分的薄弱,但是沒(méi)有阻擋住中國(guó)人制造原子彈的決心。
中國(guó)的原子彈工程又稱“596計(jì)劃”,因?yàn)樵?959年6月蘇聯(lián)單方面撕毀中蘇國(guó)防新技術(shù)的協(xié)定,并撤走了專家,帶走了設(shè)備和圖紙,為了紀(jì)念這個(gè)艱苦的歲月,命名為“596計(jì)劃”。
原子彈是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程,包括科研、設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、試驗(yàn)等許多環(huán)節(jié),參與的人數(shù)也達(dá)到了30萬(wàn),除了錢學(xué)森、鄧稼先等科學(xué)家外,還有數(shù)萬(wàn)名技術(shù)工作者、工程師、民兵、工人和后勤人員等。
制造原子彈最為關(guān)鍵的就是原材料—鈾
鈾是原材料必須的材料,技術(shù)和原料都是高度機(jī)密,而且鈾十分昂貴,當(dāng)時(shí)1公斤鈾價(jià)值1500萬(wàn)美元。而當(dāng)時(shí)中國(guó)GDP僅為900億人民幣。
第一步就是出動(dòng)地質(zhì)隊(duì),全國(guó)各地、深山老林中尋找鈾礦,經(jīng)過(guò)不懈的努力,最后終于在華中地區(qū)探測(cè)到了鈾礦。
隨后由工程師、技術(shù)人員、工人等組成的0萬(wàn)人的龐大隊(duì)伍,開(kāi)始開(kāi)采鈾礦,按照一枚原子彈需要15公斤鈾計(jì)算,就要開(kāi)采出3000噸高品質(zhì)鈾礦。
10萬(wàn)人用了10年的時(shí)間,終于制造出了2塊鈾坯。
鈾坯制造出后,還需要加工,以當(dāng)時(shí)的設(shè)備和技術(shù),制造工藝絕不亞于現(xiàn)在生產(chǎn)芯片的難度。
加工過(guò)程由3人操作:
第一人主刀:每車一刀,厚度僅有頭發(fā)絲的十分之一。
第二人為監(jiān)護(hù):提醒主刀操作,同時(shí)及時(shí)拾起他車下的鈾屑,防止其積聚在切削盤內(nèi),引起裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
第三人負(fù)責(zé)測(cè)量,主刀每車三刀,他就要測(cè)量一次,看看還差多少,還要車多少刀。
當(dāng)時(shí)的領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)了一句話,讓所有人都緊張起來(lái)了,他說(shuō):同志們,鈾-235鑄件只有兩套,一個(gè)都不能有任何的損壞。這是我們的命根子,比我們的生命還重要。
主刀叫原公浦,他以精湛的技術(shù),完成了使命,被稱為“原三刀”。
車工完畢后,還有很多的工作要做。
10個(gè)核效應(yīng)大隊(duì)(科研、總后、海、陸、空、裝甲、防化、鐵道、工程、炮)需要在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置好樓房、車站、汽車、火車、飛機(jī)、坦克等各種效應(yīng)物。
而爆炸后,還需要進(jìn)行測(cè)試,需要有一批“敢死隊(duì)”進(jìn)入蘑菇云進(jìn)行采樣。
就是在極端艱苦的條件下,在百?gòu)U待興的時(shí)刻,幾十萬(wàn)人用智慧、奉獻(xiàn)、甚至鮮血制造出了新中國(guó)第一顆原子彈。
單從技術(shù)和精確度來(lái)看光刻機(jī)似乎比原子彈更難制造
光刻機(jī)又名曝光機(jī),是生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的關(guān)鍵設(shè)備,將電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)"復(fù)制"到涂有光刻膠硅片上的過(guò)程,制造和維護(hù)需要高度的光學(xué)和精密制造技術(shù)。高端光刻機(jī)被稱為“現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花”,制造難度很大,全世界只有少數(shù)幾家公司能制造。
目前世界上最先進(jìn)的光刻機(jī)是荷蘭ASML生產(chǎn)的EUV光刻機(jī),這臺(tái)光刻機(jī)可以生產(chǎn)出最先進(jìn)的5nm制程芯片。
這臺(tái)光刻機(jī)僅零部件就超過(guò)了十萬(wàn)個(gè),螺栓數(shù)量超過(guò)4萬(wàn)個(gè),3000多條線路,內(nèi)部軟管加起來(lái),就有兩公里長(zhǎng),設(shè)備重量達(dá)到了180噸,如此龐大精密的設(shè)備安裝調(diào)試就需要幾個(gè)月。
設(shè)備最精密的部件就是:鏡頭和光源
鏡頭:采用了德國(guó)蔡司鏡頭
蔡司是德國(guó)著名的光學(xué)儀器廠商,蔡司鏡頭歷史悠久,品質(zhì)優(yōu)良,成為了行業(yè)中“高貴”的代名詞,公司對(duì)鏡頭質(zhì)量要求非常高。
一個(gè)鏡片,如果工藝不同人打磨,光潔度相差十倍。因此,很多人在一個(gè)崗位上一干就是幾十年,擁有幾十年的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。
EUV光刻機(jī)采用的鏡頭要求:制作一個(gè)地球面積大小的鏡頭,誤差在一根頭發(fā)大小。
光源:采用了美國(guó)Cymer公司極紫外光
極紫外光是一種波長(zhǎng)極短的光(僅為13nm),它是通過(guò)激光在特殊技術(shù)下產(chǎn)生的等離子源。
這種光源工作在真空環(huán)境下,產(chǎn)生紫外波長(zhǎng),然后由光學(xué)聚焦形成光束,光束經(jīng)由用于掃描圖形的反射掩膜版反射,由于極紫外光的固有特性,產(chǎn)生極紫外光的方式十分低效,能源轉(zhuǎn)換效率只有 0.02% 左右。
除了鏡頭和光源外,工作環(huán)境也很重要
精密工作臺(tái),工作臺(tái)要求:絕對(duì)穩(wěn)定的工作環(huán)境,芯片的曝光必須在真空中,并且采取恒溫技術(shù),工作室的空氣要比外界干凈1萬(wàn)倍,工作臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)期間,系統(tǒng)不能振動(dòng)。而光刻機(jī)要多的事情,就好比在真空、恒溫、無(wú)塵、高速運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中,在一粒米上雕刻清明上河圖,機(jī)械動(dòng)作誤差為皮秒(百萬(wàn)分之一秒),這些基本都是挑戰(zhàn)人類極限的工作。
這就是世界上最先進(jìn)的光刻機(jī)—荷蘭ASML公司的EUV光刻機(jī),價(jià)格約為1.6億歐元每臺(tái),折合人民幣約12.5億元,關(guān)鍵是有錢還不一定能夠買到。
我國(guó)已經(jīng)擁有光刻機(jī),而且經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)實(shí)力大幅提高,造什么都不難,只要有決心。
1955年開(kāi)始研究原子彈,當(dāng)時(shí)國(guó)家GDP約為900億元,中國(guó)人口總數(shù)約為6億,平均受教育程度不足3年。
今天,我國(guó)GDP突破了100萬(wàn)億,人口達(dá)到了14億,平均受教育程度突破了10年。
北斗導(dǎo)航全面組網(wǎng)成功,天問(wèn)一號(hào)登上火星,5G、高鐵、量子計(jì)算、大飛機(jī)等紛紛問(wèn)世,部分技術(shù)達(dá)到了世界領(lǐng)先。
1978年,是我國(guó)博士培養(yǎng)的起點(diǎn),那一年僅僅招收了18名博士生,到了2017年已經(jīng)累計(jì)招收博士生約115萬(wàn)人,現(xiàn)在,中國(guó)14億多人口,博士占人口的比重為萬(wàn)分之5.7。
1955年,中國(guó)汽車保有量10.15萬(wàn)輛,大部分家庭沒(méi)有汽車,很多地方的農(nóng)村連一輛都沒(méi)有。
2020年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72億輛,其中汽車2.81億輛;機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诉_(dá)4.56億人,其中汽車駕駛?cè)诉_(dá)4.18億人。無(wú)論是城市還是農(nóng)村,汽車已經(jīng)不在稀奇,甚至很多地方,一個(gè)家庭沒(méi)有汽車才算是稀奇的事情。
可以說(shuō)無(wú)論從經(jīng)濟(jì)實(shí)力,科技發(fā)展、受教育程度都發(fā)生了巨大的變化,以目前的實(shí)力制造光刻機(jī)是完全可以實(shí)現(xiàn)的,只是時(shí)間的問(wèn)題,那么我國(guó)的光刻機(jī)究竟有沒(méi)有呢?
1、我們有國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)嗎?
答案是有,生產(chǎn)企業(yè)是上海微電子。
2、國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)現(xiàn)在能做到什么程度?
我們?cè)谏虾N㈦娮庸倬W(wǎng)可以看到,2018年3月,上海微電子的90nm光刻機(jī)項(xiàng)目通過(guò)正式驗(yàn)收。也就是說(shuō),我們的國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)目前可以做到90納米工藝。
3、國(guó)產(chǎn)28納米光刻機(jī)是什么情況?
知名媒體DIGITIMES曾報(bào)道,上海微電子有望在2021年四季度交付第二代深紫外光(DUV)光刻機(jī),該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)28納米工藝。
所以,基本上可以做實(shí),上海微電子的確在做可以實(shí)現(xiàn)28納米制程的國(guó)產(chǎn)DUV光刻機(jī)。只是是否通過(guò)驗(yàn)收,到底何時(shí)能交付,目前未知。
荷蘭有人說(shuō)圖紙給我們也造不出光刻機(jī)來(lái),這句話已經(jīng)被否定了。
我國(guó)光刻機(jī)在精確度上與ASML的EUV光刻機(jī)仍有差距
我國(guó)的光刻機(jī)即將進(jìn)入28nm,28nm能夠達(dá)到什么水平呢?
嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō),28nm真的算不上高水平,它的前面還有14nm、7nm、5nm、3nm。
但是28nm成熟工藝,可以生產(chǎn)日常生活中電子設(shè)備芯片,如:汽車、冰箱、空調(diào)、電梯等,而且28nm能夠生產(chǎn)軍用芯片,這些不需要太高的制造工藝,需要的是足夠高的穩(wěn)定性。
28nm芯片,如果用在手機(jī)上,那就差強(qiáng)人意了,甚至是無(wú)法使用,因?yàn)槭謾C(jī)空間有限,需要散熱、大容量電池等,那就對(duì)芯片尺寸有了很高的要求,也就需要更高的工藝水平,例如5nm、3nm制造工藝。
不同工藝生產(chǎn)出不同性能的芯片,我們以麒麟芯片為例來(lái)看一看:
- 麒麟950,16nm工藝制程,30億個(gè)晶體管,4x2.3GHz A72+4x1.8GHz A53的架構(gòu);
- 麒麟990,7nm工藝制程,103億個(gè)晶體管,包括一個(gè)3.13GHz A77大核心、三個(gè)2.54GHz A77中核心、四個(gè)2.04GHz A55小核心。
- 麒麟9000,5nm工藝制程,153億個(gè)晶體管,包括一個(gè)3.13GHz A77大核心、三個(gè)2.54GHz A77中核心、四個(gè)2.04GHz A55小核心。
可以看出,隨著工藝制程不斷的升級(jí),芯片的晶體管數(shù)量也在快速地增加,性能也不斷的變強(qiáng)。
16nm工藝制程的芯片晶體管數(shù)量?jī)H為5nm工藝的1/5,那么28nm與5nm的差距只會(huì)更大。
我國(guó)的光刻機(jī)需要多久能夠達(dá)到世界先進(jìn)水平呢?
以過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,我國(guó)制造出世界領(lǐng)先的光刻機(jī)至少需要20至30年的時(shí)間,加上美國(guó)對(duì)技術(shù)和零部件的封鎖,需要花費(fèi)的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。
但是現(xiàn)在的時(shí)代是在飛速的發(fā)展,我們同樣也要用發(fā)展的眼光去看待一件事,今天的中國(guó)無(wú)論是經(jīng)濟(jì)還是科技都已經(jīng)上了幾個(gè)臺(tái)階。
1955年,百?gòu)U待興,經(jīng)濟(jì)和科技十分落后,中國(guó)人咬著牙,硬是造出了原子彈,陳毅元帥的話說(shuō):“中國(guó)人就是沒(méi)有褲子穿,也要造出原子彈”。1964年10月16日,中國(guó)第一顆原子彈在羅布泊爆炸成功。徹底打臉了蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人赫魯曉夫(赫魯曉夫曾大言不慚地說(shuō)中國(guó)離開(kāi)蘇聯(lián)不可能研制成功原子彈)
然而,更為震驚的是不到3年時(shí)間,中國(guó)第一顆氫彈空爆試驗(yàn)成功,從第一顆原子彈到第一顆氫彈,白手起家的中國(guó)人只用了兩年零八個(gè)月的時(shí)間,再次創(chuàng)造了奇跡。
1970年4月24日21時(shí)中國(guó)第一顆人造衛(wèi)星"東方紅一號(hào)"發(fā)射成功,由此開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)航天史的新紀(jì)元,使中國(guó)成為繼蘇、美、法、日之后世界上第五個(gè)獨(dú)立研制并發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國(guó)家,又一次創(chuàng)造了奇跡,足見(jiàn)中國(guó)人可以創(chuàng)造更多的奇跡。
這就是著名的“兩彈一星”工程,也由此產(chǎn)生了“兩彈一星”精神,在這種精神下,我們將無(wú)往不利,攻堅(jiān)克難。定能夠攻破高端光刻機(jī)。
事實(shí)上,在該領(lǐng)域我們也在不斷地突破:
2018年8月份,清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了雙工作臺(tái)光刻機(jī),我國(guó)成為全球第二個(gè)具備開(kāi)發(fā)雙工作臺(tái)光刻機(jī)的國(guó)家。
無(wú)獨(dú)有偶,2018年11月,中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所承擔(dān)的“超分辨光刻裝備研制”通過(guò)驗(yàn)收,該裝備采用365nm波長(zhǎng)的紫外光單次成像,實(shí)現(xiàn)了22納米的分辨率,結(jié)合雙重曝光技術(shù)后,未來(lái)還有可能用于制造10nm級(jí)別的芯片。
緊接著,在2019年4月,武漢光電國(guó)家技術(shù)研究中心甘棕松團(tuán)隊(duì)突破了光束衍射極限,采用遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)的辦法,成功刻出9nm線寬的線段,實(shí)現(xiàn)了從超分辨成像到超衍射極限光刻制造的重大創(chuàng)新,這個(gè)技術(shù)讓我國(guó)打破了三維納米制造的國(guó)外技術(shù)壟斷。
近幾年突飛猛進(jìn)的科技水平,創(chuàng)造了無(wú)數(shù)的奇跡,相信在光刻機(jī)領(lǐng)域我們同樣能夠創(chuàng)造出奇跡。
根據(jù)研究機(jī)構(gòu)IC Insights發(fā)布的《2020-2024年全球晶圓產(chǎn)能》報(bào)告,預(yù)計(jì)到2024年,半導(dǎo)體制程格局將出現(xiàn)10nm以下,10-20nm,20nm以上工藝三分天下的格局,各自市場(chǎng)占有率約為1/3。
28nm以上的成熟工藝在未來(lái)四年的市場(chǎng)份額沒(méi)有明顯變化,仍然有很大的市場(chǎng),在這四年內(nèi),我們的光刻機(jī)水平也定能夠再上一個(gè)臺(tái)階。
問(wèn)答總結(jié)
如果在1955年時(shí)候,制造一枚原子彈和制造5nm工藝光刻機(jī)哪個(gè)更難?毫無(wú)疑問(wèn)是光刻機(jī)。
而時(shí)至今日,我國(guó)的科技和經(jīng)濟(jì)實(shí)力已經(jīng)大大提升,在此基礎(chǔ)上制造5nm工藝光刻機(jī)會(huì)比制造原子彈簡(jiǎn)單。
荷蘭有人說(shuō)圖紙給我們也造不出光刻機(jī)來(lái),這句話已經(jīng)打臉了,因?yàn)槲覀円呀?jīng)擁有了光刻機(jī),制造商為上海微電子,而且是純國(guó)產(chǎn),這一點(diǎn)上比ASML還要牛,因?yàn)樗a(chǎn)的光刻機(jī)是集合多國(guó)精尖技術(shù)于一身打造的,如果受到限制,也只能停產(chǎn)。
總之,我國(guó)已經(jīng)擁有光刻機(jī),而且在未來(lái)幾年還會(huì)擁有更為先進(jìn)的光刻機(jī)。
我是科技銘程,以上是我的回答,希望可以幫到您,如有不妥之處,敬請(qǐng)批評(píng)指正!