造原子彈和光刻機哪個更難?為什么荷蘭有人說圖紙給我們也造不出來?
不吹牛的說,市面上存在的東西就沒有我們造不出來的,荷蘭人這句話說得有點過了,而且荷蘭人已經被打臉了 。
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白手起家制造原子彈很多人認為制造光刻機比制造原子彈要難得多,導致越來越多的人認為原子彈很容易制造的假象,其實絕非如此,中國第一顆原子彈耗費了大量的人力、物力、財力 。
1955年,新中國成立幾年時間,科技實力和經濟水平十分的薄弱,但是沒有阻擋住中國人制造原子彈的決心 。
中國的原子彈工程又稱“596計劃”,因為在1959年6月蘇聯單方面撕毀中蘇國防新技術的協定,并撤走了專家,帶走了設備和圖紙,為了紀念這個艱苦的歲月,命名為“596計劃” 。
原子彈是一個龐大的系統工程,包括科研、設計、制造、生產、試驗等許多環節,參與的人數也達到了30萬,除了錢學森、鄧稼先等科學家外,還有數萬名技術工作者、工程師、民兵、工人和后勤人員等 。
制造原子彈最為關鍵的就是原材料—鈾
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鈾是原材料必須的材料,技術和原料都是高度機密,而且鈾十分昂貴,當時1公斤鈾價值1500萬美元 。而當時中國GDP僅為900億人民幣 。
第一步就是出動地質隊,全國各地、深山老林中尋找鈾礦,經過不懈的努力,最后終于在華中地區探測到了鈾礦 。
隨后由工程師、技術人員、工人等組成的0萬人的龐大隊伍,開始開采鈾礦,按照一枚原子彈需要15公斤鈾計算,就要開采出3000噸高品質鈾礦 。
10萬人用了10年的時間,終于制造出了2塊鈾坯 。
鈾坯制造出后,還需要加工,以當時的設備和技術,制造工藝絕不亞于現在生產芯片的難度 。
加工過程由3人操作:
第一人主刀:每車一刀,厚度僅有頭發絲的十分之一 。
第二人為監護:提醒主刀操作,同時及時拾起他車下的鈾屑,防止其積聚在切削盤內,引起裂變鏈式反應 。
第三人負責測量,主刀每車三刀,他就要測量一次,看看還差多少,還要車多少刀 。
當時的領導說了一句話,讓所有人都緊張起來了,他說:同志們,鈾-235鑄件只有兩套,一個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,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 。
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10個核效應大隊(科研、總后、海、陸、空、裝甲、防化、鐵道、工程、炮)需要在試驗現場布置好樓房、車站、汽車、火車、飛機、坦克等各種效應物 。
而爆炸后,還需要進行測試,需要有一批“敢死隊”進入蘑菇云進行采樣 。
就是在極端艱苦的條件下,在百廢待興的時刻,幾十萬人用智慧、奉獻、甚至鮮血制造出了新中國第一顆原子彈 。
單從技術和精確度來看光刻機似乎比原子彈更難制造
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光刻機又名曝光機,是生產大規模集成電路的關鍵設備,將電路結構臨時"復制"到涂有光刻膠硅片上的過程,制造和維護需要高度的光學和精密制造技術 。高端光刻機被稱為“現代光學工業之花”,制造難度很大,全世界只有少數幾家公司能制造 。
目前世界上最先進的光刻機是荷蘭ASML生產的EUV光刻機,這臺光刻機可以生產出最先進的5nm制程芯片 。
這臺光刻機僅零部件就超過了十萬個,螺栓數量超過4萬個,3000多條線路,內部軟管加起來,就有兩公里長,設備重量達到了180噸,如此龐大精密的設備安裝調試就需要幾個月 。
設備最精密的部件就是:鏡頭和光源
鏡頭:采用了德國蔡司鏡頭
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蔡司是德國著名的光學儀器廠商,蔡司鏡頭歷史悠久,品質優良,成為了行業中“高貴”的代名詞,公司對鏡頭質量要求非常高 。
一個鏡片,如果工藝不同人打磨,光潔度相差十倍 。因此,很多人在一個崗位上一干就是幾十年,擁有幾十年的技術和經驗 。
EUV光刻機采用的鏡頭要求:制作一個地球面積大小的鏡頭,誤差在一根頭發大小 。
光源:采用了美國Cymer公司極紫外光
極紫外光是一種波長極短的光(僅為13nm),它是通過激光在特殊技術下產生的等離子源 。
這種光源工作在真空環境下,產生紫外波長,然后由光學聚焦形成光束,光束經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,產生極紫外光的方式十分低效,能源轉換效率只有 0.02% 左右 。
除了鏡頭和光源外,工作環境也很重要
精密工作臺,工作臺要求:絕對穩定的工作環境,芯片的曝光必須在真空中,并且采取恒溫技術,工作室的空氣要比外界干凈1萬倍,工作臺高速運動期間,系統不能振動 。而光刻機要多的事情,就好比在真空、恒溫、無塵、高速運動的環境中,在一粒米上雕刻清明上河圖,機械動作誤差為皮秒(百萬分之一秒),這些基本都是挑戰人類極限的工作 。
這就是世界上最先進的光刻機—荷蘭ASML公司的EUV光刻機,價格約為1.6億歐元每臺,折合人民幣約12.5億元,關鍵是有錢還不一定能夠買到 。
我國已經擁有光刻機,而且經濟實力和技術實力大幅提高,造什么都不難,只要有決心 。
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1955年開始研究原子彈,當時國家GDP約為900億元,中國人口總數約為6億,平均受教育程度不足3年 。
今天,我國GDP突破了100萬億,人口達到了14億,平均受教育程度突破了10年 。
北斗導航全面組網成功,天問一號登上火星,5G、高鐵、量子計算、大飛機等紛紛問世,部分技術達到了世界領先 。
1978年,是我國博士培養的起點,那一年僅僅招收了18名博士生,到了2017年已經累計招收博士生約115萬人,現在,中國14億多人口,博士占人口的比重為萬分之5.7 。
1955年,中國汽車保有量10.15萬輛,大部分家庭沒有汽車,很多地方的農村連一輛都沒有 。
2020年全國機動車保有量達3.72億輛,其中汽車2.81億輛;機動車駕駛人達4.56億人,其中汽車駕駛人達4.18億人 。無論是城市還是農村,汽車已經不在稀奇,甚至很多地方,一個家庭沒有汽車才算是稀奇的事情 。
可以說無論從經濟實力,科技發展、受教育程度都發生了巨大的變化,以目前的實力制造光刻機是完全可以實現的,只是時間的問題,那么我國的光刻機究竟有沒有呢?
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1、我們有國產光刻機嗎?
答案是有,生產企業是上海微電子 。
2、國產光刻機現在能做到什么程度?
我們在上海微電子官網可以看到,2018年3月,上海微電子的90nm光刻機項目通過正式驗收 。也就是說,我們的國產光刻機目前可以做到90納米工藝 。
3、國產28納米光刻機是什么情況?
知名媒體DIGITIMES曾報道,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,該設備可實現28納米工藝 。
所以,基本上可以做實,上海微電子的確在做可以實現28納米制程的國產DUV光刻機 。只是是否通過驗收,到底何時能交付,目前未知 。
荷蘭有人說圖紙給我們也造不出光刻機來,這句話已經被否定了 。
我國光刻機在精確度上與ASML的EUV光刻機仍有差距
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我國的光刻機即將進入28nm,28nm能夠達到什么水平呢?
嚴格意義來說,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,可以生產日常生活中電子設備芯片,如:汽車、冰箱、空調、電梯等,而且28nm能夠生產軍用芯片,這些不需要太高的制造工藝,需要的是足夠高的穩定性 。
28nm芯片,如果用在手機上,那就差強人意了,甚至是無法使用,因為手機空間有限,需要散熱、大容量電池等,那就對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 。
【造原子彈和光刻機哪個更難?為什么荷蘭有人說圖紙給我們也造不出來?】不同工藝生產出不同性能的芯片,我們以麒麟芯片為例來看一看:
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麒麟950,16nm工藝制程,30億個晶體管,4x2.3GHz A72+4x1.8GHz A53的架構;麒麟990,7nm工藝制程,103億個晶體管,包括一個3.13GHz A77大核心、三個2.54GHz A77中核心、四個2.04GHz A55小核心 。麒麟9000,5nm工藝制程,153億個晶體管,包括一個3.13GHz A77大核心、三個2.54GHz A77中核心、四個2.04GHz A55小核心 。可以看出,隨著工藝制程不斷的升級,芯片的晶體管數量也在快速地增加,性能也不斷的變強 。
16nm工藝制程的芯片晶體管數量僅為5nm工藝的1/5,那么28nm與5nm的差距只會更大 。
我國的光刻機需要多久能夠達到世界先進水平呢?
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以過去的經驗來看,我國制造出世界領先的光刻機至少需要20至30年的時間,加上美國對技術和零部件的封鎖,需要花費的時間會更長 。
但是現在的時代是在飛速的發展,我們同樣也要用發展的眼光去看待一件事,今天的中國無論是經濟還是科技都已經上了幾個臺階 。
1955年,百廢待興,經濟和科技十分落后,中國人咬著牙,硬是造出了原子彈,陳毅元帥的話說:“中國人就是沒有褲子穿,也要造出原子彈” 。1964年10月16日,中國第一顆原子彈在羅布泊爆炸成功 。徹底打臉了蘇聯領導人赫魯曉夫(赫魯曉夫曾大言不慚地說中國離開蘇聯不可能研制成功原子彈)
然而,更為震驚的是不到3年時間,中國第一顆氫彈空爆試驗成功,從第一顆原子彈到第一顆氫彈,白手起家的中國人只用了兩年零八個月的時間,再次創造了奇跡 。
1970年4月24日21時中國第一顆人造衛星"東方紅一號"發射成功,由此開創了中國航天史的新紀元,使中國成為繼蘇、美、法、日之后世界上第五個獨立研制并發射人造地球衛星的國家,又一次創造了奇跡,足見中國人可以創造更多的奇跡 。
這就是著名的“兩彈一星”工程,也由此產生了“兩彈一星”精神,在這種精神下,我們將無往不利,攻堅克難 。定能夠攻破高端光刻機 。
事實上,在該領域我們也在不斷地突破:
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2018年8月份,清華大學的研究團隊研發出了雙工作臺光刻機,我國成為全球第二個具備開發雙工作臺光刻機的國家 。
無獨有偶,2018年11月,中國科學院光電技術研究所承擔的“超分辨光刻裝備研制”通過驗收,該裝備采用365nm波長的紫外光單次成像,實現了22納米的分辨率,結合雙重曝光技術后,未來還有可能用于制造10nm級別的芯片 。
緊接著,在2019年4月,武漢光電國家技術研究中心甘棕松團隊突破了光束衍射極限,采用遠場光學的辦法,成功刻出9nm線寬的線段,實現了從超分辨成像到超衍射極限光刻制造的重大創新,這個技術讓我國打破了三維納米制造的國外技術壟斷 。
近幾年突飛猛進的科技水平,創造了無數的奇跡,相信在光刻機領域我們同樣能夠創造出奇跡 。
根據研究機構IC Insights發布的《2020-2024年全球晶圓產能》報告,預計到2024年,半導體制程格局將出現10nm以下,10-20nm,20nm以上工藝三分天下的格局,各自市場占有率約為1/3 。
28nm以上的成熟工藝在未來四年的市場份額沒有明顯變化,仍然有很大的市場,在這四年內,我們的光刻機水平也定能夠再上一個臺階 。
問答總結
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如果在1955年時候,制造一枚原子彈和制造5nm工藝光刻機哪個更難?毫無疑問是光刻機 。
而時至今日,我國的科技和經濟實力已經大大提升,在此基礎上制造5nm工藝光刻機會比制造原子彈簡單 。
荷蘭有人說圖紙給我們也造不出光刻機來,這句話已經打臉了,因為我們已經擁有了光刻機,制造商為上海微電子,而且是純國產,這一點上比ASML還要牛,因為它生產的光刻機是集合多國精尖技術于一身打造的,如果受到限制,也只能停產 。
總之,我國已經擁有光刻機,而且在未來幾年還會擁有更為先進的光刻機 。
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,敬請批評指正!
其他網友觀點文/阿樹
最近,關于光刻機的話題可謂是非常火爆,大家都在議論紛紛 。這不,最近阿樹看到了這樣一個討論,那就是光刻機和氫彈這兩個東西,到底誰建造起來更難呢?在看到這個問題的時候,有人肯定會不假思索地說,氫彈會更難一些 。但是阿樹相信大部分人都難以分別,畢竟這兩樣都是國之重器,不過,從稀有程度上來說,氫彈中美俄都能搞得出來,但頂尖的光刻機卻只有荷蘭和日本能搞,所以光刻機自然更加珍貴一些 。
不過,阿樹今天還真得跟大家好好聊聊,光刻機究竟難在哪 。我們都知道,氫彈作為原子彈的進階版本,對于各方面理論和技術都有非常高的要求,對國家的實力和科研能力都是非常大的考驗 。所以,氫彈的研發難度也并不低,相反,它的門檻非常高,即便是有核國家也不是輕易能碰得了的,像英國這樣的國家,在美國的幫助下,也花了4年之久 。不過,氫彈的難點主要集中在前期研發和攻關上,而光刻機則不然,換句話說,這兩樣東西難倒都挺難的,只不過難的點不一樣 。
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所謂的光刻機,我們可以把它簡單理解為類似于膠卷曝光的設備,它是生產集成電路的重要設備 。它的大概生產流程是這樣的,光刻機會發出光,光通過掩膜之后再由透鏡縮小,最后投射到晶圓上 。
然后就可以把晶圓泡在特制的化學制劑中,蝕刻出電路,洗干凈之后,一大堆集成電路就出現了 。聽起來是不是特別簡單,但是每一種光刻機的實力都是不一樣的,低端光刻機大部分國家都有,它的精度比較差,價格也比較便宜 。但是高端的光刻機,可以制造5nm級的芯片,而這種高端的光刻機,卻只有荷蘭和日本有 。那么問題又來了,光刻機的哪些技術環節勸退了大部分國家呢?
首先就是光刻機的鏡頭,這樣一塊小小的鏡頭,屬實是難住了大部分國家 。以荷蘭的ASML為例,他們家的光刻機用的是蔡司的鏡頭,除了蔡司之外,佳能和尼康也都能生產高端的光刻機鏡頭 。但是,除了這幾家之外,就鮮有能生產鏡頭的了 。鏡頭的好壞,將直接決定成品的質量,所以鏡頭的誤差要求非常嚴格,30厘米的長度上,鏡面起伏不能超過0.3納米 。什么概念?這就相當于上千公里的鐵路,從頭到尾海拔的誤差不能超過一毫米 。
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你以為解決了鏡頭和其他高難度的技術環節,光刻機的難題就解決了嗎?除了技術上的難題之外,光刻機還要面臨著盈利和虧損的問題,以及成套的體系化問題 。荷蘭的ASML固然非常厲害,但阿樹剛才也說了,它的鏡頭是蔡司的,光源則是美國和日本的,除此之外,ASML在全球各地都有服務中心和工程師,一旦出現問題大家一起研究,最后給出一個解決方案,同時解決自家光刻機的難題 。長期循環下來,問題不斷地被提出,光刻機持續被完善,客戶的口碑也積攢下來了 。
最終的結果就是,ASML的光刻機質量越來越好,客戶越來越愿意買,它的體系遍及五湖四海 。而且這個體系并不是誰都有的,就連超級大國美國,也只有眼饞的份 。但由于美國是產業的一部分,所以也不擔心這些問題 。總的來說,這是長期發展和積累產生的優勢,而且有一定的先發優勢在里面,機器和技術的優勢,只是很小的一部分 。所以,光刻機到底是怎么回事,荷蘭已經給了我們答案 。當然,我們對光刻機還有一個非常重要的需求,那就是形成產業鏈,并且實現收益,最終實現產業的整體升級 。
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無論是氫彈還是航母,亦或是火箭,這些涉及到國家戰略的東西,成本和收益根本不在考慮范圍之內,因為它的用途和光刻機就完全不同 。如果非要阿樹類比的話,光刻機就相當于印鈔機,印出來的芯片就是鈔 。如果不能實現芯片批量生產,那么再好的光刻機也沒有意義 。所以,別人卡我們的脖子不會僅僅通過光刻機來卡,還會從芯片上卡,尤其是高端芯片和高端光刻機 。而外界卡我們脖子的最終目的,是為了阻止我們的產業升級 。
而且,著急是沒有用的,我們現在看到的光刻機技術,基本都是面對科技和民用領域的,軍用領域和國家戰略領域,這方面完全不用愁,高鐵就是一個非常顯著的例子,我們的高鐵芯片完全能實現自主化 。而面對民用領域和全球市場的光刻機以及芯片技術,光突破技術是不行的,必須要瞄準全球市場和規律,并且狠下心來投資,這些投入要遠比單純開發先進的光刻機重要 。
其他網友觀點我既不懂造原子彈,又不懂造光刻機,從技術上回答不明白哪個更難,只好憑著現象來推斷 。
獨立地造出光刻機的國家至今也沒有美國 。而獨立地造出原子彈的國家,不止有美國、中國,連印度、巴基斯坦、朝鮮和伊朗4個國都有,造出光刻機的國家卻只有荷蘭、日本和中國3個,制造廠加一起共4個,其中,1個為高端+世界頂級,3個為中低端 。后3個國無論科技實力還是綜合國力都比前4個國強,當然都比美國弱,而且弱很多,不過呢,偏偏沒有美國,中國則是3個國中唯一的光刻機獨立制造國 。即便如此,也似不可以說美國造不出光刻機,肯定不可以說因為沒有美國所以造光刻機比造原子彈還難,倒是可以說,對中國而言,獨立地造出原子彈和光刻機都不是個難事,早就不是,并且據報道,造出來的光刻機在當時僅比荷蘭差1代,厲害不?要說難都難、要說不難都不難,如果一定要回答哪個更難,只能把現象擺出來:在中國,原子彈是用舉國之力造出來的,光刻機卻不是 。
那“為何荷蘭有人說圖紙給我們也造不出來”光刻機呢?中國已經造出來了,荷蘭那個人簡直是在瞪眼說瞎話啊!其實應該不是瞎說,如果荷蘭真的有人這么說了,肯定是指造高端和世界頂級的光刻機,的確,中國真的還沒有造出世界頂級光刻機,連高端光刻機都還沒有影呢 。對早已量產的中國90納米光刻機距荷蘭的最高水平,現在有人說差10年,有人說差15年、20年,我們國家在制定十三五規劃的2016年時認為差15年,所以給出了在2030年達到比肩荷蘭的目標 。成立于1984年的荷蘭ASML是在2017年造出可量產7納米以下制程芯片的EUV光刻機的,歷時33年,而成立于2002年的上海微電子則是在2007年造出了90納米光刻機,但據報道,9年后——恰好是2016年——才量產,歷時14年,當時量產不了是因為造出后就被外國斷供了零部件,后來量產了是依靠國內供應鏈上企業的獨立自主研發,從此走上了光刻機整機制造和零部件制造國產化的道路;到2030年,上海微電子造出媲美荷蘭的EUV光刻機就是一共用了28年,便是比ASML少用了5年,當然是更快的,關鍵是將再一次表明中國是更善于攻堅克難的國家 。
不能不提到:如果上海微電子在2007年沒被斷供呢?上海微電子仍然利用外國技術制造光刻機至今,達14年,加上之前的5年共19年,肯定是還沒達到ASML今天的水平,即差了1個高端化,同時又差了1個國產化,加一起是中國仍然沒有國產化高端光刻機,關鍵是連國產化的道路都還沒有走上,包括還是走在“知其然”的路上,距走到“知其所以然”還差老遠了,這是不是賠大了?可以肯定的是上海微電子至今仍然有被斷供即被卡脖子的危險,就像今天的中芯國際那樣,華為對買國產化光刻機辦芯片制造廠這個事就會連想都不會想 。自然,外國當時不可能不斷供;更不可能給制造高端光刻機的圖紙,荷蘭的那個人不過是說說而已,心里對美國肯定不會讓給、荷蘭肯定不能不聽從明鏡似的,當然,那個人這么說也是因為根本就不了解中國人有多么的智慧、聰明 。完全可以肯定,假設給了圖紙,中國企業就一定會加速達到高端化 。
荷蘭得到了世界頂尖配套技術才造出了世界頂級光刻機 。這確定無疑,連一開始的低端光刻機都是如此,否則就一定造不出來,等于是遇到了本國根本就解決不了的大難題,至今都解決不了!從開始到現在,荷蘭ASML得到了哪些強國的強企所提供的世界頂尖配套技術,也就是與多少家屬于美國盟國盟友的光刻機相關技術全球領先企業始終抱成一團,是已知的,不必再復述,那么,上海微電子呢?得不到世界頂尖配套技術也能造出世界頂級光刻機,只因為中國的配套企業必定能夠提供相匹配的技術,先前用9個年頭研發出了低端的國產化配套技術,再用15年——從現在算起還有10年——研發出高端國產化的光刻機整機技術和配套技術是完全可能的 。
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