雕刻光刻机的人

雕刻光刻机的人

全文6603字,阅读大约需要10分钟。

致力于创作有品质的人物传记,关注微信公众号:人类群星工作室。


原油是中国每年进口的第二大宗商品,每年进口总额1.6万亿人民币;排名第一的2.2万亿,是芯片。相当于每个中国人每年花1700块钱进口芯片。

中国需要芯片的地方太多了,首先中国是世界上最大的电子产品制造国,苏州、昆山、东莞们的电子工厂,每年需要消耗海量的芯片;其次中国大力发展的人工智能、IoT、航空航天等产业也高度依赖芯片。芯片就是中国的固体石油

芯片背后是个庞大的产业,我们用人体来作比方。

头部是芯片设计,也叫EDA,就是用软件程序来编写芯片。这个领域目前三家鼎立:美国的新思科技(Synopsys),前身是通用电气的微电子研究团队,市场占有率30%;美国的铿腾电子科技(Cadence),之前长期位列市场第一,2008年被新思超越;第三家叫明导国际(Mentor Graphics),业务线不如前两家全面,2016年被德国西门子收购。这三家是经过多年的市场竞争生存下来的,也合并了不少曾经的对手,目前一共占到全球市场将近80%的份额,也建立了坚固的专利和人才壁垒。

芯片业的大脑是IP,也就是芯片设计的知识产权。这是整个芯片行业最高端、利润最丰厚的区域,不干脏活累活,用IP授权如同神经网络一样驾驭全行业。这个领域目前最大的公司是ARM,大部分芯片设计公司都要用到ARM的IP核,从而乖乖地给ARM交授权费。ARM 设计的芯片每年出货量 150 亿枚。所以软银孙正义斥资320亿美金收购了ARM。ARM后来是软银愿景基金对外募资时主要拿来讲故事的项目。

ARM驱动1兆电子设备(来自软银愿景基金演示文稿)


躯干是晶圆代工,也就是芯片制造。这个环节的公司没有自主品牌的芯片,而是为别人制造芯片。全球晶圆代工市场份额最大的是台积电/TSMC。


1987年,有个43岁的中年男人在深圳被国企裁掉,他筹集了两万块钱,在出租屋里创办了一家以代理交换机设备为主业的公司,名叫华为。也是在1987年,一个55岁的台湾老男人,德州仪器的三号人物,被排挤出来,白手起家,创办了一家半导体公司。这个台湾老男人叫张忠谋,他的公司就是台积电。


台积电如何拿下全球第一的位置,后面会讲到。今天媒体中常说的7纳米,指的就是台积电有能力生产的芯片制程。大陆的中芯国际也是这个领域的,可以排在全球前五名,但技术上还有两代的差距。中芯国际现在最先进的工艺还是28纳米。大陆另一家公司华虹半导体也处于这个技术水平。

芯片业的四肢是封装和测试。很容易看明白,这个环节是后端工序,技术含量最低、利润率也低,挣的是辛苦钱,所以欧美公司逐渐退出了。根据 Gartner 统计,封装环节占到整个封测市场份额的 80-85%, 测试环节占比约为 15-20%。韩国的安靠(Amkor)、台湾的日月光是这个领域技术比较领先的。大陆在这块有一定的存在感,有不少公司可以参与市场竞争,例如长电科技、通富微电等。


像三星、英特尔、海力士等大公司,能够涵盖芯片设计、制造以及封装测试的整个链条,是垂直整合型公司,叫作IDM。

刚才说的芯片制造,不是台积电们单枪匹马就可以的,涉及到很多复杂的设备和工艺。其中壁垒最高的是光刻机,一台上亿美金。光刻机名字很形象,就是用光把设计好的电路以极高的精度刻在硅片上。现在的光刻机能够在一根头发的横截面上雕刻上万个电路。光刻机像芯片产业的脖子,打通这个环节,才能把纸上谈兵的IP真正造成一颗颗芯片。说掌握光刻机就掐住了行业的咽喉,不算过分。

目前世界上有能力量产高端光刻机的,只有荷兰的ASML、日本的尼康和佳能三家,其中ASML一家独大。这是今天的情况,但倒退二十年,却远远不一样。二十年前,人类在光刻技术上遇到了难以逾越的墙垣,整个产业被卡住喉咙前进不得;ASML也只是名不见经传的小喽啰。连信息技术第一定律——摩尔定律也被认为失效了,整个行业陷入惶恐和困惑。

摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容是:集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18-24个月就翻一番。2002年,业界已经把光刻机的工艺做到了用193纳米波长的光来成像。如果根据摩尔定律把最小图形继续缩小,下一代光刻机所用的波长就应该缩短到157纳米,波长越短,刻出的电路越细,芯片上容纳的电路就越多。

当时用的是干式光刻技术,就是以空气为介质,让光在空气中雕刻晶圆。干式光刻继续推进遇到了严重的瓶颈,尼康和佳能虽然做出了157nm波长的光刻机,然而试用效果很差。有一个人凭借自己的智慧,打破了这道墙垣,推动整个光刻技术跃迁三代,改变了整个芯片业的进程。他叫林本坚。林本坚当时是台积电光刻技术的研发负责人,他提出要以水作为介质,也就是浸润式光刻

干式还是浸润式,成为芯片行业发展最重大的路线选择。林本坚不仅提出了思路,而且设计了具体实现的方法。他在IBM、英特尔、尼康、佳能、德仪等主要半导体企业间反复研讨做工作。最终愿意走上牌桌的,正是当时落后的ASML。

2004年开始,ASML主导,台积电提供协助,三年后,浸润式光刻机做出来,芯片行业一下快进了好几代。ASML领先佳能和尼康不止一个身位。林本坚带领团队基于浸润式光刻机,一路势如破竹,将芯片制程从从130纳米、做到90纳米、65纳米、40纳米、28纳米、20纳米、和16纳米,并开始研发10纳米、7纳米、和5纳米。台积电就此主导业界规格。

林本坚2008年当选美国国家工程学院院士,成为殿堂级的科学家


林本坚在美国国家工程学院的个人主页

林本坚的父亲叫林邦庆,英文名叫威廉,是广东潮安人,出生于1916年。威廉很聪明,他十一岁来到越南,在学校考第一名,又说一口流利的英文。后来去香港读中学,英文比赛获得全港第一。林本坚的母亲叫唐声亮,出生在印尼坤甸,从小受到很好的教育,音乐、美术、书法、舞蹈样样都通。两人1941年在香港结婚。

后来,日本入侵香港,威廉带家人移居越南避难,在越南开办贸易公司,惨淡经营。后来他摒除万难,创办了越南第一家英文学校——林威廉英文书院。威廉自己英文好,加上有过创业经验,善于经营,让书院一跃成为越南最有名气的书院,巅峰时期学员有三千人。因此桃李满天下,越南各界都有书院子弟。

林本坚是林家从香港迁到越南之后出生的。当时越南社会有很多自治的华人帮会,比如潮州帮、客家帮等。林本坚幼年就在客家帮办的学校读书。到了三年级,母亲将他转到坤德女子学校。虽然名字叫女校,但其实男生不少。这是一所优秀的学校,林本坚在学校里读了很多书,从《三国演义》《水浒传》到《福尔摩斯全集》,打下了他读书的底子。五年级,母亲又把他转到了广肇帮办的穗城学校,有小学和初中,是当地最大的华人学校,师资和设备都是超一流的。林母这两迁,帮助林本坚走上了做学问的道路

少年本坚特别喜欢摄影。他摸到的第一台照相机,是母亲珍藏的一台机械相机,平时是用绒布包起来的。不过一直到十四岁,他才真正拥有这台相机,从此时时把玩,打开了一个光影世界。后来,母亲的朋友送他一台Zeiss Ikon的上品,林本坚爱不释手。此人注定一生与光结缘。

初中毕业,林本坚考入了越南的华人高中知用中学。没想到只读了一年,威廉让他转到自己的林威廉英文书院,意思就是给老爸捧个场。林本坚就在父亲的书院又读了一年。这一年很有价值,他的英文突飞猛进。

50年代,越南进入南北分治。勤劳能干的华人已经是越南社会最主要的经济力量。南越的吴庭艳政府开始限制华人经商,给越南当地人更多机会,即便这样,因为华人的经商头脑和吃苦耐劳,越南人根本没法竞争。

吴庭艳政府又希望将华人同化融入越南社会,1955年南越通过《国籍法》,规定中越混血儿自动成为南越公民。1956年第48号法令规定,所有在南越出生的华人都是南越公民;但是第一代华人只能按期申请长期居住证,并额外交一笔税。第53号法令规定,禁止外国人进入11个经济领域,即大部分是华人占优势的领域;这些领域的外国所有者必须在六个月到一年内将所有权转移给南越公民。换句话说,明抢。

面临排华的大环境,林本坚的母亲想办法将他送到了台湾,进入新竹中学读高三。新竹中学人才济济,林本坚的同学中,如吴义雄、许信良、李卓邦、林修二等,后来都成为各界杰出人士。时间一晃,林本坚要面临高中联考了,也就是类似大陆的高考。他考虑过几个专业方向,一个是物理,一个是电机,还有一个是作为基督徒的他去读神学院、以后做牧师。一个台大电机系的朋友劝他,“以你的才能,读物理是拿不了诺贝尔奖的;读电机将来的机会多,比较实际。”而林本坚的联考分数又刚好达到了电机的要求,就这样,他开开心心进入台大电机系。

林本坚大四时,跟随当时的留学潮流,申请到俄亥俄州立大学的电机系。在俄州,他攻读的是激光专业,导师是前清状元的儿子张慎四,量子物理师从杨振宁的弟弟杨振平。打小儿就喜欢摄影的林本坚论文题目正是关于全相光学的。这个爱好读书做研究的人,在俄州海阔任鱼跃。

林本坚有多聪明呢?他有段时间痴迷于打乒乓球,昼思夜想如何改进球艺。他发现高速抽球时,由于拍子受到的风阻,会带来轨迹的偏差。如果球拍是透气的,像网球拍一样,不就可以解决这个问题?林本坚把自己球拍上钻出了很多小洞,大小和胶皮的颗粒差不多。拿着这个全新的球拍,他觉得酷死了,就去申请专利。结果他收到了专利官的拒信,因为已经有五六个类似的专利了。

在俄亥俄州立大学,林本坚结识了台湾来的师妹黄修慧。修慧的父亲是空军少将,华航的创始成员。为了追求修慧,林本坚动了不少心思。他猜到修慧刚来到大洋彼岸,应该很想家,就提出约她出去,为她拍照片寄往家中。我们早就知道林本坚摄影有一手,这样一来二去就赢得了修慧的芳心。修慧也是智商超群、满身才艺的优秀女生。两人结婚后,长女林灵霖SAT(就是美国高考)得了800多分,被耶鲁录取。儿子林灵毅,聪明活泼,一举考中卡内基梅隆大学(CMU)。

你能猜出林本坚是怎样为女儿和儿子起名字吗?答案是二进制。女儿是000,儿子是001。天才直男的脑回路不服不行。

由于专业的原因,林本坚成为美国光学学会的会员。这样他有机会申请光学学会成员企业的工作机会。当时他最心仪的公司是科达,但给他offer的却是IBM研究中心。

林本坚在他的自传中回忆说,他当时不知道怎样选择,出于信仰的原因就去祷告,上帝给他的回应叫作“信主的人留心作正经事业是应该的,是主所喜悦的”。他转念一想,去IBM搞研究大概是再正经不过的事业吧。就这样,林本坚迈进了蓝色巨人的大门,从此踏上了微影学的道路,一走四十年。

加入IBM的第一个任务是为光学镜头编写计算机程序。70年代的电脑程序是写在卡片上的,每张卡片可以打80个洞,每行程序用一张卡。林本坚写了1000多行程序,整整装满了一个大盒子。因为他程序写得好,老板特别给配了一台内存“高达”64K的电脑。

林本坚性情温和,但在研究上却如同一位专制的君王。在IBM,他带一个小组研究紫外线微影,其他很多人在研究X光微影,声势很大。林本坚从技术本质出发,认为X光微影难以大成,只是浪费时间和资源,这让他成为公司中的异类。一个老板送过他一件T恤,上面写着X ray works,意思是X光有得搞。林本坚不动声色,在下面加了几个字,改成X ray works for the dentists,意思是只有看牙医才有用。他把T恤挂在办公室,继续埋头搞他的紫外线微影。

很多年后,当林本坚在台积电研发130纳米光刻芯片,每小时已经可以做出100多片时,IBM还有人在用X光做250纳米工艺,因为技术滞后且无法量产,最后不得不放弃。

林本坚最厉害的地方是专心,夜深人静的时候,他经常在实验室安静地做研究,陶醉其中,不知不觉天就亮了。林本坚在IBM转眼做了20年,他在华生实验室的研究独步全球,带领团队研发光刻技术,从1微米推进到0.5微米,还在世界上率先开始深紫外线Deep UV的研发。

这20年,芯片行业风云变幻。硅谷半导体的摇篮是仙童公司(Fairchild Semiconductor)。仙童走出来很多传奇。管理骨干诺伊斯、负责研发的摩尔和工艺技术专家格鲁夫在离开仙童之后创立了英特尔(Intel)。销售负责人杰瑞·桑德(Jerry Sander)带着仙童的7位员工创立了芯片巨头AMD。之后还有耳熟能详的塞琳思(Xilinx)、声望卓著的红杉资本(Sequoia Capital)等。英特尔1971年推出了世界上第一款微处理器(CPU),摩尔说到:“这是人类史上最具革命性的产物,我们才是这个时代的革命者,而不是那些在伯克利和其他地方留着长头发只会闹事的学生。” 到了80年代,简单指令集(RISC)开启了芯片的黄金时代。RISC的开创者是加大伯克利分校计算机教授大卫·彼特森(David Patterson),推广者叫翰尼斯,他是MIPS公司创始人、第十任斯坦福大学校长、谷歌母公司Alphabet 董事长。

摩尔定律

到了1992年,林本坚在IBM过了自己50岁的生日。IBM有世界上最先进的软硬件设施、最杰出的人才和开放自由的研究环境,他在这里度过了如鱼得水的20年,十度获得美国IBM杰出发明奖、杰出优秀奖,申请的专利堆满文件柜。但他不想抱着铁饭碗终老,还是想开创自己的事业。

林本坚决定创业,他把公司起名叫作Linnovation,就是Lin和innovation的合体,这和林书豪的Linsanity异曲同工。

创业不算顺利,做到第八年,一家主要的竞争对手被大公司并购,瞬间资金资源加满,这让林本坚备感焦虑。毕竟芯片这个行业,归根结底是要拼资源的。他默默去向上帝祷告,希望自己的公司也能找到一家大公司作靠山。

2000年的一天,林本坚的电话响了。打给他的人叫蒋尚义,台积电二号人物。

台积电没有收购他的公司,而邀请他加入领导光刻技术的研发。林本坚和蒋尚义见了一面,一起他们会面的人星光闪耀:

  • 曾繁城,1987年与张忠谋共同创办台积电,担任过总经理、副董事长。
  • 左大川,也是台积电创始元老,资深副总经理。
  • 孙元成,伊利诺伊大学电机工程博士,1997年加入台积电,后来做到CTO。
  • 梁孟松,台积电研发绝对核心,输出了500多个专利,2009年离开台积电,迂回韩国成均馆大学任教,秘密加入三星,帮助三星一举追平了与台积电的技术代差。台积电以梁孟松泄露商业秘密发起诉讼,一时间满城风雨。现在梁孟松是中芯国际的联席CEO。这些是后话了。

面对这些杰出的人才,林本坚决定加入,他和妻子离开了生活三十八年的美国,回到了台湾。台积电当时并不像现在这样风光,能配给林本坚的只有五十人。林本坚对于待遇没有提任何要求,蒋尚义心怀感激,拍板把台积电能给出的最好待遇都给了他。

前面说到,2002年,在把芯片制程缩小到65纳米之后,摩尔定律卡壳了,如同一辆高速行驶的汽车撞上了减速带。全球头部厂商在干式微影技术上烧了几十亿美元,仍然没办法突破半分。

林本坚是什么时候预判到芯片行业这道生死劫呢?1987年。当时还在IBM的他,在学术会议上分享了光学微影的蓝图,他判断,当光学微影的解析度提高时,景深会随之下降,但下降的速度比解析度提高的速度要快!换句话说,迟早会遇到这个瓶颈。他还指出,如果这个瓶颈到来,浸润式可以解决问题。

芯片行业的历史,一如林本坚所计算的,继续奔跑了十五年

林本坚受邀到美国参加一场以157纳米波长为主题的研讨会,本来大会邀请他是去讨论157纳米干式工艺的。结果林本坚直接抛出了“用水作为193纳米浸润式的介质,可以超过干式的157纳米”的论点,像一颗深水炸弹,震惊业界。

有人视他为救世主,有人揪住浸润式工艺中“水容易产生污染、产生气泡”等细节提出质疑。一些大公司已经在干式工艺烧了十亿美金,尼康老板打电话给台积电,“你们管管他,不要搅局”。

幸而台积电上至“大老板”张忠谋,下至数百名工程师,都支持林本坚。林本坚把所有的技术细节都推导穷尽,他亲自奔走于美国、日本、荷兰、德国,如同宣教士一样推广浸润式技术,如同单枪匹马冲向风车的唐吉柯德。


孤胆英雄改变了世界,ASML给林本坚展示了第一片用浸润式光刻机做出的成像,一向温文尔雅的林本坚手舞足蹈。不久之后,浸润式投入量产,ASML一战翻身。尼康、IBM等因为无视浸润式技术,被完全碾压,几十亿美金如泥牛入海。直到现在,所有量产的65纳米以下制程的芯片,都在用这个193纳米浸润式光刻机。

ASML的光刻机(浸润式的下一代EUV机型)

如何理解林本坚对芯片行业的改变呢?在他之前,芯片行业就像螺旋桨飞机时代,穷尽办法提高速度,当到达音速的0.6倍左右,螺旋桨就会形成激波,形成难以逾越的障碍;浸润式技术相当于喷气式飞机,一步跨越音障,一马平川。

曾经在夹缝中努力求生存的台积电,凭借浸润式光刻成为产业技术的领导者。2019年营收达到346亿美金,市值超过2600亿美金,占据全球晶圆代工市场50%的市场份额。

人类历史,星河浩瀚,怎样的人才是英雄?

有人求名,有人图利,我认为称不上英雄。

英雄是那些将人类历史向前推进一截的人。

2015年,林本坚从台积电退休。年过七旬的他在大学教书育人,并和妻子修慧在教会传道。了去一身功名,继续为世界发光。


<END>


部分参考资料

  • 《把心放上去:林本坚的“用人则乐”人生学》
  • 《真情部落格:专访林本坚黄修慧》
  • 媒体资料
发布于 05-27

文章被以下专栏收录