Die Antwort lautet PWM, Tiefpassfilter, Operationsverstärker.

Der ATMEGA erzeugt mit seinem PWM Generator ein einstellbares PWM Signal.
Das wird nun Tiefpaßgefiltert und kommt auf einen Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor von minimal größer als 2.
Ganz stufenlos geht es nicht, aber mit 65536 Stufen sollte es schon sehr fein sein, wenn mann Timer 1 benutzt.

Der OP ist auch nur deshalb möglich, weil der ATMEGA kein Signal mit mehr als 5 V erzeugen kann. Der OP muß mit einer Spannung von etwas mehr als 10V versorgt werden, da es da intern immer ein paar mV Verluste gibt.
Such Dir einen Typen aus der möglichst nahe an die 0V Spannung herankommt, damit deine Lampe im "Aus" Modus nicht noch dauernd nachglimmt.