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中国为什么买不到/造不出光刻机?瓦森纳协议的启示

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一、引子

上一篇我略讲了中国芯片的一点现状,提到其中一个关键的生产工具--光刻机我们很难采购。

光刻机(Mask Aligner)又名:掩模对准曝光机。现在世界上最高端的EUV光刻机产地在荷兰。

2018年4月,中芯国际向阿斯麦下单了一台价值高达1.2亿美元的EUV(极紫外线)光刻机,直到2021年的现在还没有交付。

中国和荷兰并没有贸易冲突,难道荷兰还跟钱过不去吗?买不到光刻机,把零部件从世界各国买回来组装行不行?

要回答这两个问题,要简单说一下《瓦森纳安排》的历史。

二、瓦森纳安排

1945年,第二次世界大战结束后,美国和苏联形成东西方两个对立阵营。

1949年11月,西方发达国家在巴黎成立了“输出管制统筹委员会”,有17个成员国,主要目的是对苏联阵营的国家进行禁运和管制,这个组织又称巴黎统筹委员会(CoCom,简称巴统)。

42年后的1991年,苏联解体。

1994年的愚人节,巴统正式停运。毕竟最大的敌国瓦解了,这个巴黎统筹委员会也没有存在的必要了。

然而过了一年美国又后悔把巴黎统筹委员会解散了。

1995年12月,美国组织28国在荷兰瓦森纳开会商量搞一个新的小圈子,延续对敌对阵营的贸易管制。

1996年7月,33国在奥地利首都维也纳签署《瓦森纳安排》(WA,Wassenaar Arrangement,或称瓦森纳协议)。

后来又陆续加入9个国家,现在共有42个成员。

这42个国家是:

阿根廷、澳大利亚、奥地利、比利时、保加利亚、加拿大、克罗地亚、捷克共和国、丹麦、爱沙尼亚、芬兰、法国、德国、希腊、匈牙利、印度、爱尔兰、意大利、日本、拉脱维亚、立陶宛、卢森堡、马耳他、墨西哥、荷兰、新西兰、挪威、波兰、葡萄牙、大韩民国、罗马尼亚、俄罗斯联邦、斯洛伐克、斯洛文尼亚、南非、西班牙、瑞典、瑞士、土耳其、乌克兰、英国和美国。

请大家注意,俄罗斯和亚洲的日本、韩国、印度都在其中。其中印度是2017年刚刚加入瓦森纳协议。中国没有加入瓦森纳协议。

上图深色区域就是成员分布,基本涵盖了全球的全部发达国家(印度和墨西哥属于不发达国家)。

这个组织的官网是www.wassenaar.org,网站上面有很多公开文件,包括管制物品清单、成员国及其联络人,甚至贸易通报的内容规范。

《瓦森纳安排》全称是《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》(The Wassenaar Arrangement on Export Controls for Conventional Arms and Dual-Use Good and Technologies)。

《瓦森纳安排》官方宣明的宗旨如下:

“瓦森纳安排”的建立是为了促进区域和国际安全与稳定,促进常规武器和两用货物及技术转让的透明度和更大的责任,从而防止不稳定因素的积累。其目的还在于防止恐怖分子获取这些物品。

参与国通过其国家政策,力求确保这些物项的转让不会有助于发展或加强破坏以上宗旨的军事能力,也不会转用于支持这些能力。

《瓦森纳安排》具体的政策是:

“瓦森纳安排”成员国之间的贸易不受管制、不需要通报;但是和非成员国贸易时,对控制清单上物品或技术的出口实行国家控制,即由各国政府自行决定是否允许或拒绝转让某一物品,并在自愿基础上向“安排”其他成员国通报有关信息,协调控制出口政策。

虽说是自行决定、自愿通报,但是这个组织里面除了美国,其他都是小弟,小弟做事敢不通报?通报之后,交易就可能会遇到重重阻碍,中芯国际购买荷兰光刻机一事就是典型被美国阻挠的实例

《瓦森纳安排》的物品清单:

“瓦森纳安排”将控制物品清单分为军品清单、(军民)双用途物品及技术清单两部分。

一份是军品清单(本文不讨论);另一份是军民两用商品和技术清单,包括九大类:特殊材料和相关设备、材料加工、电子产品、计算机 、电信及信息安全、传感器与激光、导航及航空电子、海洋技术、航空航天推进系统。

以麻老面最为熟悉的集成电路相关举两个例子,2020年最新的物品清单中的第三类“电子产品”中,对模拟-数字转换器ADC描述如下:

ADC具有如下特性的:

1. 分辨率为8位或更高,但小于10位,“采样率”大于每秒1.3千兆采样(GSPS);

2.分辨率为10位或更高,但小于12位,“采样率”大于每秒600兆采样(MSPS);

3.分辨率为12位或更高,但小于14位,“采样率”大于每秒400兆采样(MSPS);

4.分辨率为14位或更高,但小于16位,“采样率”大于每秒250兆采样(MSPS);或

5.“采样率”大于65兆采样(MSPS)的16位或更高分辨率;

对现场可编程逻辑器件描述如下:

具有下列任一特性的现场可编程逻辑器件:

a.单端数字输入/输出的最大数量大于700;或者

b.500 Gb/s或更高的“聚合单向峰值串行收发器数据速率”;

包括:

复杂可编程逻辑器件(CPLD)

现场可编程门阵列(FPGA)

现场可编程逻辑阵列(FPLA)

现场可编程互连(FPIC)

注:“聚合单向峰值串行收发器数据速率”是峰值串行单向收发器数据速率乘以FPGA上收发器数量的乘积。

针对光刻设备(晶圆加工设备)的描述:

光刻设备如下:

1.使用光学或X射线方法对准和曝光工序和重复(晶圆上的直接操作工序)或操作和扫描(扫描仪)设备,用于晶圆加工,并具有以下任何一种特性:

a.波长小于193nm的光源;或者

b.能够产生“最小可分辨特征尺寸”(MRF)为45 nm或更小的图案;

2.能够产生45nm或更小特征的压印光刻设备;

3.专门为掩模制作而设计的设备,具有以下所有特性:

a.偏转的聚焦电子束、离子束或“激光”束;并且

b.具有下列特征之一:

1)全宽半最大值(FWHM)光斑尺寸小于65 nm,图像放置小于17 nm(平均值+3 sigma);或

2)2015年后未使用;

3)掩模上的第二层覆盖误差小于23 nm(平均值+3 sigma);

4.为使用直接写入方法进行设备处理而设计的设备,具有以下所有特性:

a.偏转的聚焦电子束;和

b.具有下列特征之一:

1)最小光束尺寸等于或小于15 nm;或

2)覆盖误差小于27 nm(平均值+3 sigma)

针对晶圆加工的设备清单还包括很多,在此不再举例。

《瓦森纳安排》清单列得很细,基本上各行各业的高精尖技术都可能被列在清单中,并且每年会不断更新,以保证瓦协成员国保有2-3代的技术领先水平。

三、光刻机

当然光刻机也不是荷兰一个国家全部自主生产的,而是瓦协先进国家产业链的结晶。构成这一“工业史上技术含量最高的机械装置”的零部件超过10万个、分别来自几十个国家,例如瑞典制作轴承,法国提供阀件,美国制造光源,德国提供蔡司镜头和工艺流程,日本提供光学技术,台湾和韩国提供制造分配技术。

所以即使买不到光刻机,咱们买零部件来组装也是很困难的,精密的零部件也是贸易管制的对象,他们都是一伙的。

麻老面认为在造光刻机这条路上,可以采用扬长避短、技术制衡的办法,选取光刻机其中一个零部件进行工艺突破,例如把轴承工艺做到世界第一,或者把光源技术做到世界第一,光刻机要保持先进必然要采用世界第一的技术,这就是技术筹码。

也有人说,我们可以弯道超车,如果没有最好的稻谷种子,可以改种小麦、种玉米。毕竟已经有人提出石墨烯有可能取代硅成为下一代的半导体材料。到时候针对硅晶圆的光刻机就不吃香、甚至用不上来。

我想说的是,不管是否更换材料、变换赛道,工业制造的工艺水平永远都是弯道超车的前提和基础。

光刻机只是一个典型的代表,因为基础材料以及加工工艺的限制,很多高精尖领域比如航空发动机、安全阀、高压泵,这些东西我们造不出来,也很难买到最先进的设备。

四、先不谈光刻机,先造零部件

常常看电视看新闻,大家会造成认为中国的技术很牛,各行各业到处是NO.1的错觉。中国的很多领域确实世界第一,我在知乎上抄出如下20项中国领先的科技:

1、超级计算机

2、可控核聚变技术

3、风洞技术

4、量子技术

5、暗物质探索

6、全球导航系统

7、太空探索技术

8、高超音速导弹

9、中段反导技术

10、可燃冰开采技术

11、电磁弹射及电磁炮技术

12、航母建造技术

13、导弹技术

14、隐形飞机技术

15、高铁

16、激光武器技术

17、核武器小型化

18、互联网金融

19、深海探索

20、电动汽车

以上不一定准确完整,但是有一定的代表性。

总结这些技术有一个特点,领先的都是技术,不是工程,不是工艺;都是终端产品领域,例如超级计算机、高铁、飞机乃至神舟飞船都是一个综合组件,而不是零部件。

这些终端产品作为产业链的末端,水平完全受制于上游零部件的供应。稻谷种得好不好,首先要看种子、土壤、化肥(零部件),然后才是农耕技术(组装)。

不管稻谷是否丰收或赚钱,好的种子、好的化肥永远吃香。

所以说袁隆平早就看穿这个真理,花上一辈子精力去研究种子。这就是一种工匠精神,农业科学里的工匠,这个工匠精神令中国的粮食供给不再受制于人。

中国制造业里面就缺工匠

西方的制造工艺水平如此先进,不是十年、几十年就达成的,而是有赖于200多年来多次的工业革命,尤其是第一次工业革命(1785年蒸汽机为代表的机器自动化)、第二次工业革命(1866年发电机为代表的电气化)。

可惜的是这两次工业革命,中国完全没有参与,也没有获得工业革命的任何好处。第三次工业革命(1950年),也就是计算机电子技术,中国跟上了,但是工程水平、工业基础的薄弱仍然很明显。

“瓦森纳安排”就有点防止差生抄作业的意思。

不管瓦森纳安排是否就是针对中国,中国在两百年来的工业革命中落下的功课,绝不是区区40年就能弥补

任正非在华为最近的一次谈话中说得好:“美国的百年的基础是比较牢实的。我们不能因美国打压我们,就不认为它不是老师,不向美国学习,这样会走向自闭。”

“工程领域要精益求精,这不叫内卷,内卷是发生在不应该进行精益求精的地方。科学是犯大量错误以后才能有所发现,技术创新也是会有大量失败,但是工程呢,比如一座大桥的建设不是可以随便创新的,那样大桥可能就容易垮塌,大桥的工程方案是经过了千百次论证,才敢用这个公式来设计大桥。所以,你们做光相关的器件,也要走这个路线,扎扎实实,精益求精。”

落后和差距,这才是对中国工业领域的正确认知。

任何基础不是一天就能打牢,我们呼吁的工匠精神,需要经过十年、百年沉淀到工业制造业当中。

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