谈到半导体供应链的瓶颈，最棘手的莫过于顶端的瓶颈：ASML。这家荷兰制造商实际上处于垄断地位，占据了制造先进半导体所需的极紫外（EUV）光刻机市场100%的份额。一家名为Inversion Semiconductor的初创公司希望有朝一日能够挑战这一垄断地位。该公司近期获得了美国能源部颁发的“创世纪使命奖”（Genesis Mission award），用于研究人工智能在芯片制造中的应用。

ASML之所以垄断EUV光刻机市场，原因很简单：这些机器的制造难度极高。ASML在制造这些极其复杂的光刻机方面拥有数十年的实践经验，每台机器造价高达4亿美元，包含超过10万个零部件。ASML更像是系统集成商，负责协调其庞大供应链中所有零部件的制造和集成，最终将成品机器交付给晶圆厂，用于生产CPU、GPU和其他高端芯片。

ASML在20世纪90年代研发EUV技术期间曾数次濒临破产，最终都因下游客户台积电、英特尔和三星的救助而得以幸免。如今，ASML每年将约六分之一的收入（约50亿美元）投入研发，其中大部分用于优化现有技术。

现有的光刻技术依赖于使用强大的 CO2 激光器每秒喷射熔融锡 50,000 次，并使用蔡司等合作伙伴提供的超精密镜子将这种喷射产生的 13.5nm 光能重定向到硅基底上，以蚀刻栅极宽度仅为几纳米的微小电路（即所谓的 2nm 工艺）。

Inversion Semiconductor公司希望使用一种功率更大、频率更低的光源来进行光刻。据联合创始人兼首席执行官Rohan Karthik称，该公司正在研究使用高功率激光加热气体（可能是氢气或氦气）以产生“超等离子体汤”，从而激发电子。

“我们把这些电子带入这种周期性磁结构中，”卡尔蒂克上周在华盛顿特区举行的创世纪任务峰会上接受采访时说。“电子会摆动，而这种摆动过程会产生极紫外光。”

卡尔蒂克说，这种工艺产生的光具有类似激光的特性。“所以它非常明亮，非常相干，而且方向性很强。相比之下，ASML 的极紫外光发射更像是灯泡发出的光，向四面八方散射。”他说道，“他们必须尽可能多地收集光，然后将其引导和聚焦，使其在工具内部传播。”

Inversion Semiconductor公司的光源不再像传统光源那样每秒产生5万次脉冲，而是以更低的频率（更接近X射线）产生每秒5亿次脉冲的光。Karthik表示，这意味着该公司能够制造更多芯片，并且速度更快。这正是Inversion Semiconductor希望超越ASML的关键优势所在。

ASML 要放弃目前的蚀刻技术，需要投入巨大的研发精力，这与 ASML 在 20 世纪 90 年代最初投入大量精力研发其技术的情况类似，当时 ASML 的这项技术在高端市场已经完全取代了尼康和佳能所倡导的现有光学技术。

“如果用他们目前的方法，至少还需要十年的研发时间，才能找到合适的材料，以及粒子加速器产生等离子体的合适条件，”Karthik告诉HPCwire。“对我们来说，只需要对现有设计进行一些小小的改动，或者调整一下旋钮就能产生更短的波长。而对于现有方案的厂商来说，要实现这一点，研发时间的长短尚不得而知。”

Inversion Semiconductor公司已获得Y Combinator和Entrepreneur First提供的50万美元种子前融资，但距离制造出测试设备仍需数年时间。不过，该公司的技术前景十分广阔，已引起美国能源部的关注。美国能源部希望进一步巩固美国及其盟国在芯片制造领域的领先地位。为此，这家位于旧金山的初创公司正与劳伦斯伯克利国家实验室及其ATAP（加速器技术与应用物理）部门合作，对这项技术进行深入研究。

上周公布的第一阶段“创世纪任务”奖项，名为“用于紧凑型激光等离子体的自优化数字孪生”，为Inversion Semiconductor公司和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）提供了75万美元的资金，用于构建ATAP粒子加速器的神经网络模型，以便为未来使用大型激光器进行实际测试找到最佳配置。Inversion Semiconductor公司的联合创始人丹尼尔·维加是该项目的首席研究员。

Karthik说：“我们第一阶段项目的重点之一是利用开源的、应用非常广泛的加速器代码，并像训练神经网络一样训练它。你可以模拟粒子加速器，然后根据输出结果调整你设计的加速器的权重。”

在这种情况下，神经网络的权重是安装在加速器中的磁体以及气体的特性。他们可以尝试成百上千种不同的参数（磁体的数量及其空间位置）。如果这个项目成功，他们找到了最佳配置，那么这将为卡尔蒂克和他的团队下一步的工作——建造一台实际的测试激光器——奠定基础。

与此同时，“创世纪任务”项目还将探索反转半导体技术的另一个潜在应用：光掩模计量应用。光掩模计量是一门相关学科，专注于测量半导体、确定整体精度和进行测试。

“就要求而言，它不像以前那么苛刻，”卡尔蒂克说。“你不需要系统输出那么多极紫外光刻功率。而且我们已经知道这种方法可行。我们已经与实验室以及其他一些研究伙伴合作，展示了一些关键实验。现在的问题只是将这些子系统串联起来，构建第一个端到端产品。我们完成这项工作的时间表大约是两年。”

如果这项技术最终成功，它将给半导体制造带来革命性的变革。X射线光刻技术并非新生事物，包括ASML在内的其他公司也曾探索过这一领域。然而，由于难题重重，且潜在解决方案成本过高，最终都未能实现。

一大挑战在于激发氦气或氢气所需的激光器的尺寸。这些激光器是迄今为止发明的最强大的激光器，本质上与核聚变项目中使用的激光器相同。多年前，当ASML公司研究这个问题时，这些激光器的体积相当于几个足球场：200米乘100米。据Karthik称，如今这些激光器占用的空间要小得多：大约30米长，5到10米宽。

“创世纪计划”旨在加速人工智能在科学和工程领域的应用。这个项目无疑属于后者范畴，但仍面临一些挑战。不过，凭借不懈的努力、良好的时机把握以及一点运气，Inversion Semiconductor 的方案或许能够成功。

“我认为真正需要的是一种截然不同的方法来解决同一个问题，”卡尔蒂克说。“我没有在ASML工作过，我的联合创始人也没有。我的背景是半导体行业，而他的背景是粒子加速器系统的开发。但我认为这使我们能够尝试从第一性原理的角度来解决这个问题。