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    光刻机巨头ASML的周期逆袭史
      时间:2022-05-18 19:50 作 者:

  “他们不来了?他们不来了?他们不能这样做!” ASML总裁兼首席技术官马丁·范登布林克差点把他的电话机砸烂。1991年因为海湾战争的爆发,出于安全考虑很多跨国公司禁止高管乘坐飞机。
  
  “他们”指的是IBM,因为这样的禁令,IBM的高管无法来与ASML进行最后的合同谈判。但此时ASML的财务状况几乎进了ICU,如果拿不到IBM的订单,1991年的ASML就会破产。ASML压上了全部身家,为了IBM的订单疯狂努力了好几年,这些努力,都会因为这场跟他们毫无关系的战争而化为泡影。
  
  1991年的ASML,还远不是我们今天看到的ASML。今天ASML风光无限,光刻机被称为现代工业皇冠上的明珠,是制造芯片的核心设备,全世界只有少数几家公司拥有这样的技术。中国芯片产业最大的短板就是EUV光刻机,而这家荷兰公司占有45nm以下高端光刻机80%的市场,而在极紫外光(EUV)领域,ASML是全球独家生产者。
  
  但曾经的ASML,无数次走在资金链断裂的边缘,小心翼翼地穿越经济周期。贯穿始终的,是ASML对技术路径的卓越把握和几乎无止境的研发投入。从推出PAS 2500在光刻机领域站稳脚跟,随后经过改进的PAS 5500进入头部行列,到与台积电合作成果研制浸没式光刻机系列,一举奠定霸主地位。
  
  再到2010年推出第一台EUV光刻机原型,以及通过外延并购形成整体光刻产品组合,从ASML的发展历程中可以看出,要想做出一家战略级硬科技公司,是需要冒多么大的风险,有着多么大的决心,花费多么大的资金,才有可能成长起来。
  
  我们通过书籍、券商研报、媒体报道等资料,研究了ASML的发展史,并结合对硬科技的投资逻辑总结了一些观点。
  
  经济危机救了ASML:我们看到ASML是怎么小心翼翼地穿越经济周期,回过头来看惊诧地发现,其实经济危机救了它;
  
  硬科技的艰难抉择——押注改进还是颠覆:ASML真正的崛起里程碑,是选对了技术路径,但有时候成功来自于渐进式创新,有时候又来自于颠覆式创新,选对了一飞冲天,选错了万丈深渊,我们来看看ASML的启示;
  
  关键转折点——贵人相助与敌人犯错:企业要想成功,离不开盟友助力与敌人犯错,台积电是ASML的贵人,两家力推的浸没式光刻技术,打败了当时流行的干式光刻技术,这也源自敌人尼康、佳能的错误。当运气来了,要怎么抓住它,看看ASML是怎么做的;
  
  合作才能走得更远:今天的ASML 90%的零件其实是外购的,它是一家集成商,背后是美国、日本、欧洲、中国台湾、韩国多家公司与研究所的技术支撑,最终才能量产出极度复杂的EUV光刻机,合作与形成利益共同体是长远之道。  
  
  一、经济危机救了ASML
  
  “坐视我们这种高风险企业快速倒闭,是典型的荷兰人做法。如果我们办公室的灯连续13个晚上亮着,政府劳工检验员会要求查看我们的工作许可证。但我们要把一个关键的战略产业拱手让给美国和日本吗?那我只能说,你们以后就去快乐地挤牛奶、搅黄油和种郁金香吧。” 德尔·普拉多曾愤愤不平地在接受媒体采访时说。
  
  德尔·普拉多是ASM的创始人,他在1984年接手了被飞利浦抛弃的光刻机研发团队,成立了合资公司ASML。ASM是制造芯片生产设备的,但无论从技术和规模上,飞利浦都看不上ASM,所以在寻找接手方时,连谈判的机会都没有给它。
  
  德尔·普拉多是个猛人,他几乎吃饭、睡觉和呼吸都在ASM,他的魅力、野心和无畏展露无遗。ASM有欣欣向荣的一面,但也有深陷泥沼的一面。欣欣向荣的是,ASM是荷兰经济惨淡景象中的一颗璀璨明珠,正从一家设备分销公司转型为独立设备制造商,收入开始增长;但深陷泥沼的一面是连年的亏损、不大的规模、面临众多技术先进的竞争对手……普拉多一直在用“芯片是战略产业”这一点来吸引荷兰政府资金的投入,但政府耐心也有限。
  
  直到1983年,飞利浦在其他人那里碰了一鼻子灰,在经历了和3家公司谈判失败后,所有人都士气低落。而ASM在纳斯达克的成功上市,令飞利浦看到也许ASM还是有钱的。在飞利浦高层再一次明确必须放弃像光刻机这样的非核心业务后,必须抓住最后一次机会来挽救光刻机团队,阻止裁员的发生。
  
  飞利浦光刻机项目早期的产品SiRe1;图片来源:Lithography giant:ASML's rise
  
  于是,ASM作为最后一根稻草,会谈开始了。这场会议只持续了1个小时15分钟。“对不起,失陪一小会儿。”普拉多与飞利浦光刻机团队负责人克鲁伊夫聊了15分钟后,他走出房间与团队商量。将近一个小时过去了,他才回来,然后说:“让我们一起做吧。”
  
  光刻机业务符合普拉多的雄心壮志,他制造了芯片生产过程中每一道工序所需要的机器,但唯独缺乏最具战略性的光刻机。
  
  但合并一个光刻机团队也是巨大的冒险。在这场谈判的一年前,ASM的收入才3700万美元,然而仅新一代步进光刻机的研发费用,就将远远超过5000万美元。并且与光刻机所需的先进技术相比,ASM以前掌握的技术简直不值一提。
  
  一家小公司与巨头合作,话语权往往落在谁更需要谁。先进技术令飞利浦在新成立的合资公司ASML中享有很大话语权,为了获得飞利浦Natlab技术实验室的后续访问权限,ASM不得不答应在新公司中与飞利浦平分股权。
  
  飞利浦在交易中还想尽可能节约资金,财务部门起草了一份详细的合资企业必须支付的费用清单,包括为制造20台步进光刻机所需订购的零件和材料费用,以至于“这家新公司买杯咖啡就会破产”。
  
  这就是ASML艰难的成立史,它像一艘好不容易凑齐水手、仍在四处漏水的小船,一边修补一边扬帆起航。这个艰难的开始,与后面ASML所要面临的困难相比,也只是九牛一毛。
  
  从ASML成立的1984年开始,后面连续3年遭遇了市场长时期衰退,行业增长陷入停滞。但研究ASML的学者们提出了一种观点,市场崩溃最终证明是对公司的天赐之物。
  
  为什么说经济危机救了ASML?
  
  荷兰高科技学院(HTI)的董事总经理瑞尼·雷吉梅克,以及诸多ASML的早期员工都认为,经济危机打击了当时的巨头,但奇迹般地给了ASML喘息的时间,让它有足够的时间来重塑其研发和生产部门,因为当时刚刚起步的ASML,走错了油压技术路线、装配厂也还根本无法生产真正的大订单。那时如果芯片设备市场特别好,而ASML却卖不出光刻机,那么ASML会立刻失败。
  
  另一方面,由于ASML的定位是光刻机集成商,一些零部件还需要依靠上游生产商,比如镜头,就需要德国蔡司生产,但蔡司当时的产能情况也非常糟糕。如果市场在1984年高速增长,蔡司都无法满足当时光刻机老大GCA的需求,更不可能给ASML足够的供应。
  
  当然,这些认知是用后视镜来看,由ASML早期管理层总结出来的。但在1987年秋天,当时没有人能够感受到这种奇迹。
  
  在经济衰退的这三年,刚刚起步的ASML主要在修炼内功,从一个士气低落、被抛弃的团队,逐渐变成一个自力更生的开发团队,物流和大规模生产系统也趋于成熟,销售和营销也已成为一股重要力量。
  
  这种艰难开局还奠定了一个坚实的心理基础——要坚持熬过周期,在后来ASML多次濒临破产边缘时,都跟ASML在第一天就面临的困难一样。
  
  工人正在超净室里组装;图片来源:Lithography giant:ASML's rise
  
  二、硬科技的艰难抉择:押注改进还是颠覆
  
  “等你卖了20台光刻机后,再回来找我谈。”
  
  时任ASML CEO斯密特在加州一场世界一流的芯片设备展上备受打击,他到处宣扬飞利浦的光刻机项目起死回生了,但得到的反馈寥寥无几。当时的光刻机巨头是美国GCA和新崛起的日本尼康,装机量(在客户工厂中运行的机器数量)是所有人关心的关键指标,GCA和尼康已经达到数百台,而ASML还是零。
  
  这个指标之所以重要,是因为光刻机过于复杂,以至于光刻机供应商需要配备大量服务工程师,以应对突发情况。一些微小的因素就会导致光刻机出现问题,实践经验非常重要。
  
  带着绝望的心情,斯密特回到了荷兰,他除了觉得芯片行业充满活力之外,其他都是沮丧的消息。绝境逼人思考,当他回顾在整个差旅中看的一切时,似乎在黑暗中有一丝光线若隐若现。
  
  当时,整个芯片行业即将跨越一个难关,这为设备制造商创造了机会。在加州的展会上,每个人都在谈论摩尔定律,谈论下一代机器——从大规模集成电路(LSI)到超大规模集成电路(VLSI)。
  
  显然在未来几年内,芯片线路将缩小到1/1000毫米以下,光刻机处理的将不再是4英寸的晶圆,而是6英寸的晶圆。
  
  随着这个转变,超大规模集成电路需要新一代光刻机,这种机器要能够将0.7微米的细节成像到晶圆上,并实现更紧密的微电子集成。在所有的坏消息中,唯一的好消息就是,还没有人找到制造这种光刻机的方法。
  
  大门虽关闭,但窗户已打开。斯密特与团队一起探讨,如果ASML成功开发出新一代光刻机,那么半导体行业就会被他拿下。
  
  斯密特之所以有这样的信心,是因为新一代光刻机必须在光学、对准和定位等几乎每个方面都大幅改进。当时的行业巨头佳能、GCA、尼康和Perkin-Elmer公司制造的机器仍然使用导程螺丝杆来移动晶圆台,这意味着他们的图像细节达不到小于1微米的定位精度,而这正是ASML技术的优势所在。
  
  斯密特也是一位有远见的人。他以前研究过航空业的整合行动,在他还在上大学的时候,世界上有50家飞机制造厂,当他拿到博士学位后,就只剩下几家了。他还在上一份工作经历中见证过电信业的技术变革。他知道一家新公司在成熟市场是没有机会的,除非这家新厂商选择对了技术路径。
  
  助ASML在光刻机市场上站稳脚跟;图片来源:Lithography giant:ASML's rise
  
  技术路径深刻影响了光刻机公司们的起起伏伏,我们总结了三个重要启示:
  
  早期优势有可能会转化为阻碍
  
  ASML由于承袭了飞利浦的光刻机技术,在一开始采用的是油压驱动,而非电动。
  
  在1973年,当爱德·鲍尔在飞利浦制造了第一台步进光刻机时,这个基于油压驱动的晶圆台遥遥领先于时代。当时油压是一项卓越的技术,如果没有受到挑战是很难被放弃的。
  
  油压装置提供了稳定性和精度极高的定位系统,但它有一个问题,就是机油如果泄漏,则会对芯片制造过程造成严重破坏。在80巴的压力下,即使是最微量的泄漏也会将整个房间喷上油雾,污染将使芯片生产停滞数月,油在芯片生产过程中是“毒药”。
  
  并且,机油系统还会产生很多噪声,需要定制外壳来减少噪声。这些问题导致了油压驱动的光刻机没有客户。
  
  但由于技术依赖的惯性,飞利浦没有改进这个问题,直到剥离光刻机项目。而到了ASML,也没有在一开始就重视这个问题,斯密特仍希望将这种油压设备,硬卖给那些想要尝试其高级对准系统的客户。
  
  当然,结果肯定是失败的。虽然ASML有一张技术王牌——能够实现精准套刻的对准技术,但由于这项技术被应用于油压驱动的机器中,就是没有人买。最终斯密特决定放弃油压,改为电动晶圆台,这意味更多的研发经费、更短的研发时间、和一定的失败几率,但也不得不迎难而上。
  
  渐进式创新的影响力可能超出想象
  
  20世纪80年代,ASML在光刻机领域还算不上最头部的公司。当时的老大要属美国GCA。但GCA在80年代中期就迅速衰败了。
  
  当时导致GCA失败的最终因素,主要是蔡司的g线镜头,一种光线漂移问题严重。在开始时一切都很好,但随着光刻机运行的时间变长,图像质量就会下降。因为急于向客户交付光刻机,所以GCA在把镜头安装在机器上之前不会对镜头进行检查,这导致GCA交付了数百台带有故障镜头的光刻机,而蔡司多年来对这个问题一无所知,只有不到10%的镜头被送回进行维修。
  
  更大的问题是GCA的光刻机无法自动纠正此类错误,工程师们也不知道问题出现的确切原因。
  
  此时,一种渐进式创新出现了。GCA的日本竞争对手(尼康)设法改进了光刻机的聚焦系统。尼康依次开发出了具有较大数值孔径的g线目镜,这种组合令尼康的系统,能够更清晰地将微小图案成像到光刻胶的薄层上。
  
  这项渐进式创新,令尼康斩获颇丰。当时有很多厂商正在大规模投入g线技术向i线技术革新。但客户们都很看好尼康的改进,因为他们只需要换掉GCA的光刻机,而不是是重新创建一个全新的基础设施。在制造更好芯片的同时,还节省了大量资金。
  
  在技术转型期要格外小心这些因素,尼康对g线镜头的微小创新只是其中一个。当现有技术的寿命延长,对昂贵新技术的需求就会减弱,这意味着投入时机的重要性。
  
  要探索技术路径的迷雾,赛马制可能是不错的手段
  
  ASML也一样会面临抉择,到底是逐步改善现有技术,还是投入新的?ASML里程碑式的光刻机PAS 5500,就是在这样的抉择中诞生的。
  
  工程师要做的不仅是机器的物理设计,他们还必须在初期选择技术路径,然后再扩展物理设计。如果机器架构从一开始就不可靠,那么以后各个环节都会遇到麻烦,问题还将持续多年。
  
  例如晶圆台精度就是一个不确定因素。当时,ASML在其机器中使用带有直线电动机的H型晶圆台,但随着市场对“对准精度”的要求越来越高,很难说这种技术路径的产品能在市场上存活多久。
  
  此时,摆在面前的问题是,ASML应该选择逐步改善,还是彻底革新?如果选择逐步改善,这种技术路径很可能最终无法满足市场的新需求;另一种选择是使用革命性的长冲程、短冲程发动机寻求突破,但研发会有风险。
  
  ASML PAS 5500的首席架构师范登布林克没有直接做出决定,其实他也很难判断到底孰优孰劣。由于这个决策意义重大,他决定在这两条路上分别试验6-9个月,两个团队分别在自己的技术路径上赛马。
  
  最后,技术竞赛证明旧H型晶圆台,有足够的潜力定位8英寸的晶圆,所以ASML选择了这条保险的路线。长短冲程发动机被暂时雪藏,但也可作为更新换代的备选方案。
  
  PAS 5500对于ASML来说,是一款决定性的产品,ASML把所有希望寄托在它身上,PAS 5500也的确推动ASML走向光刻机世界的舞台中心。所以在这种重大的决策上,多花点研发经费是划算的,技术路径的赛马机制是值得的。
  
  经历了多年的苦心经营,ASML在步进扫描光刻机时代走到了巨头行列,当时的市场形成了三家独大的局面:ASML、尼康、佳能。
  
  但令ASML真正登上霸主宝座,弯道超车打败另外两家的契机,来自于颠覆式创新,来自于台积电的一个发明。

  三、关键转折点:贵人相助与敌人犯错
  
  技术赛马制之所以重要,就在于当颠覆式创新的机会来临时,提供支撑勇气的判断。
  
  ASML最大的弯道超车,发生在193nm制程到157nm制程的升级过程。过去步进扫描光刻机采取的技术路线都是干式法,通过用更高级的曝光光源,来支撑技术进步到下一代。为了追求更高的分辨率,光源波长从最初的365nm,到248nm,再到193nm,但再往下走时,这条技术路径出现了困难。
  
  当时业内又面临是押注改进还是颠覆的抉择。大部分企业选择了在原有技术路径上改进,比如两大巨头尼康、佳能,都选择进一步研发157nm波长的光源,但遇到了困难。
  
  这时候,一种全新的技术理念出现在市场上——浸没式。这个思路由台积电的华裔越南科学家林本坚提出,他创造性的用水作为曝光介质,光源波长还是用原来的193nm,但通过水的折射,使进入光阻的波长缩小到134nm。
  
  以前的干式法中,曝光介质用的是空气。它们的区别在于折射率,193 nm光源在空气中的折射率为1,在水中折射率为1.4,这也就意味着相同光源条件下,浸没式光刻机的分辨率可以提高1.4倍。
  
  当时很多人认为浸没式技术难度太大,首先水可能会把镜头上的脏东西洗出来,影响工作效能;还有人担心水中的气泡、光线明暗等因素,会影响折射效果。林本坚也在着手攻克这些问题,比如用去离子水和其他手段,来保持水的洁净度和温度,使其不起气泡。
  
  但理论归理论,能不能从实验室真正到工厂,还需要经验丰富的设备商一起开发。林本坚去美国、日本、德国、荷兰跑了一大圈,向光刻机厂商兜售浸没式光刻的想法。但是,绝大部分大厂都不买账。
  
  不买账的原因除了这项技术走得太“鬼才”,还有不少想法需要验证之外,另一个原因就是改变的沉没成本太高。当时主流的研发思路,都是在157nm的干式光刻技术路径上。诸多公司已经耗费了大量财力、人力、物力,如果用这种“加水”的想法,各个研究团队就得全部重新开始,推翻原有的大部分设计。
  
  所以巨头们对林本坚的态度,不仅仅是不理睬,而是封杀。尼康甚至向台积电施压,要求雪藏林本坚。在现实利益面前,这样的事情还发生过很多,比如柯达其实是最早研发出数码相机的公司,但缺乏自我颠覆的勇气,因为恐惧它威胁到自己的胶片业务,反而是雪藏了数码相机。
  
  终于当林本坚跑到了荷兰时,ASML愿意做第一个吃螃蟹的勇士。虽然ASML也是从干式光刻机起家,但它想通过赛马制来赌一把,既然尼康、佳能都在死磕干式法157nm光源,且进展不顺利,那这支“奇兵”的意义就是巨大的。
  
  最终浸润式成功了。2003年,ASML和台积电合作研发的首台浸没式光刻设备——TWINSCAN XT:1150i出炉,第二年又出了改进版。同年,研发进度拖慢的尼康,终于宣布了157nm的干式光刻机产品样机出炉。
  
  但此时胜负已定,一面是用原来193nm光源但通过水进化到132nm波长的新技术,一面是157nm波长的样机,浸润式技术的优势不言而喻,这一技术成为此后65、45和32nm制程的主流,推动摩尔定律往前跃进了三代。

  颠覆式创新的毁灭力也是巨大的。尼康、佳能由于对技术路径的判断失误,不仅意味着几百亿研发资金打了水漂,更是在与ASML的竞争中彻底落败。在2000年之前的16年里,ASML虽然跻身第一梯队,但是第一梯队里最小的玩家,占据的市场份额不足10%。
  
  但自浸没式技术出现后,一路摧枯拉朽,全面碾压昔日巨头尼康、佳能,2008年市场占比超过60%。整个日本的半导体厂商,以及IBM等巨头,也都迅速衰落。
  
  四、合作才能走得更远
  

  为了进一步巩固战果,ASML开始打造上下游利益共同体。
  
  由于浸没式技术的独家性,ASML要求所有合作伙伴必须投资它,否则就不合作。Intel、三星、台积电等等都投资了ASML,大半个半导体行业成为了ASML一家的合作伙伴,形成了庞大的利益共同体,大家都绑在了一条船上。
  
  值得注意的是,在研发浸没式光刻设备的同时,ASML还早期布局了EUV技术,可谓走一步看三步。中国现在买不到的EUV光刻机,就是这种最前沿的产物。
  
  我们在前文提到,尼康开发干式157nm光源遭遇了困难,就是因为不停缩小光源波长越来越困难,浸没式光刻技术虽然通过水的折射率暂时领先,但在未来,也一样会面临需要不停缩小波长的问题。
  
  极紫外光(EUV)就像曾经的浸没式技术一样,拥有另辟蹊径的潜力,因为它的光波长极小,可以创造出比传统光刻小得多的电路。从1990年代末开始,直到2017年推出第一台商用EUV机器,这个项目共耗资90亿美元。
  
  资金只是一方面,EUV的量产并不是一家公司的能力,而是多方合作的共同结果。美国政府之所以对ASML拥有影响力,就是因为美国政府和美国科研力量,是开发中极其重要的一环。
  
  早在1997年,英特尔认识到进一步缩小光源波长的困难,渴望通过EUV来另辟蹊径。英特尔说服了美国政府,组建了“EUV LLC”的组织,包含了商业力量和政府科研力量,例如摩托罗拉、AMD、英特尔等,还汇集了美国三大国家实验室,美国成员构成了主体。
  
  在对外国成员的选择上,英特尔和白宫产生了分歧,英特尔想让在光刻机领域有实力的ASML和尼康入局,但白宫认为如此重要的先进技术研发不该有”外人”入局。
  
  此时ASML展示出了惊人的技术前瞻性,一定要挤进EUV LLC,虽然这个组织的目标是为了论证EUV技术的可行性,而不是量产它。ASML强力游说,开出了很难拒绝的条件——由ASML出资在美国建工厂和研发中心,并保证55%的原材料都从美国采购。
  
  几百名全球顶尖的研发人员,经过了6年时间,终于论证了EUV的可行性,于是EUV LLC的使命完成,于2003年解散,各个成员踏上独自研发之路。
  
  此时的ASML刚在浸润式技术上奇兵致胜,然后就立即投入到EUV的研发中。ASML每年将营业收入的15%用于研发,比如2017年的研发费用就高达97亿人民币。越投入技术越强,竞争对手都逐渐跟不上了。
  
  EUV的技术难度非常高,在先进的EUV光刻机中,为了产生波长13.5nm超短波长的光,需要持续用20kw的激光轰击从空中掉落的金属锡液滴,液滴直径只有20微米,而且同一个液滴需要极端时间内连续轰击两次,第一次冲击是将它们压平,第二次冲击是将它们汽化,才能产生足够强度的极紫外光。为了保证光的持续性,每秒要轰击5万次。
  
  EUV光刻机被誉为人类制造的最复杂机器之一,各个环节的高度专业性也汇集了全球的尖端产业,其中要用到来自德国的反射镜,以及在圣地亚哥开发的硬件,这种硬件通过用激光喷射锡滴来产生光,重要化学品和元件则来自日本。ASML还于2012年收购了顶级光源企业Cymer。
  
  ASML其实是一个集大成者(集成商),也是全球化的受益者。ASML 90%的零部件来自于外购,再由最理解客户需求和产业发展趋势的ASML集成。ASML的背后是美国、日本、欧洲、中国台湾、韩国的技术支撑,最终才能量产出极度复杂的EUV光刻机。
  
  这就是尖端供应链全球化的典型例子,如果中国想在芯片领域取得大幅进步,那就不得不面对一个由多方构成、缺一不可的全球尖端供应链。
  
  早在ASML成立最初的几个月里,就确定了它合作的基因。ASML只进行研发和组装,并不什么都由自己制造。这种理念在1984年是十分超前的,因为当时欧洲流行的信念是“你最好什么都自己做才能控制一切”,当时很多人都认为ASML疯了:“培养合作伙伴与把钥匙交给别人是同一种意思,这是在自找麻烦,你会完全失去控制权。”
  
  但事实证明合作才能走得更远。

  最后,我想回到文章开头那个小故事:当海湾战争让IBM的高管无法前来面谈,完全打乱了ASML的计划,令它处于破产边缘时,ASML是如何破局的?
  
  ASML高价雇佣了一个视频摄制组,花了一天时间,把原计划要向IBM展示的全部内容拍了下来,那天晚上,PAS 2500的项目经理理查德·乔治,带着录像磁带和一位视频编辑在工作室里通宵剪辑影片。
  
  第二天早上,当时的ASML CEO马里斯带队,手里拿着宝贵的录像带,飞到了IBM。评审会获得了空前成功,IBM的人看录像时吃惊得差点从椅子上摔了下来,他们从来没有见过这样先进的设备,整个房间里的人都十分激动。
  
  如果你仔细翻阅ASML的发展史,你会看到无数个处于绝境的时刻,以及无数个绝境逢生的时刻,是很难,但总有办法。"

(虎嗅网)





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