Началась гонка за создание самой сложной машины в мире
Но свергнуть ASML будет нелегко
Мало кто бы ожидал, что будущее искусственного интеллекта ( ИИ ) будет зависеть от Эйндховена, тихого голландского городка. Однако прямо за его пределами находится штаб-квартира ASML , единственной компании, которая производит машины, известные как литографические инструменты, необходимые для производства передовых чипов ИИ . Последнее творение ASML — это 150-тонный колосс, размером примерно с два грузовых контейнера и ценой около 350 миллионов долларов. Это также самая передовая машина, выставленная на продажу.
Опыт фирмы поставил ее в центр глобальной технологической битвы . Чтобы помешать Китаю создавать крутые чипы ИИ , Америка запретила ASML продавать свое самое передовое оборудование китайским производителям чипов. В ответ Китай вкладывает миллиарды долларов в создание отечественных альтернатив. Тем временем, японский конкурент Canon делает ставку на более простую и дешевую технологию, чтобы ослабить хватку ASML . Однако в отличие от программного обеспечения, где лидерство в отрасли может смениться за считанные месяцы, успех в литографии — это медленная гонка, измеряемая десятилетиями. Обогнать ASML будет непросто. На карту поставлен контроль над машиной, которая определит будущее вычислений, ИИ и самой технологии.
Самая передовая машина ASML ошеломляет. Она работает, выстреливая 50 000 капель расплавленного олова в вакуумную камеру. Каждая капля получает двойной удар — сначала слабый лазерный импульс, который расплющивает ее в крошечный блин, а затем мощный лазер, который испаряет ее. Процесс превращает каждую каплю в горячую плазму, достигающую почти 220 000 °C, что примерно в 40 раз горячее поверхности Солнца, и испускает свет с чрезвычайно короткой длиной волны (экстремальный ультрафиолет, или EUV ). Затем этот свет отражается серией зеркал, настолько гладких, что несовершенства измеряются в триллионных долях метра. Зеркала фокусируют свет на маску или шаблон, содержащий чертежи схем чипа. Наконец, лучи отражаются от маски на кремниевую пластину, покрытую светочувствительными химикатами, отпечатывая дизайн на чипе.
Высокие ставки
Инструменты ASML незаменимы для современного производства чипов. Такие компании, как TSMC , Samsung и Intel, полагаются на них для производства передовых процессоров, от ускорителей искусственного интеллекта до чипов для смартфонов. Ни одна другая компания не производит машины, которые могут надежно печатать чипы, называемые «7 нанометров» (миллиардные доли метра) и ниже (хотя эти термины когда-то относились к физическому разрешению, теперь они в основном используются в маркетинге). Даже для более зрелых технологий («14 нм» и выше) инструменты компании занимают более 90% рынка.
Микрочип — это электронная лазанья: основа из транзисторов, увенчанная слоями медной проводки, передающей данные и питание. Передовой процессор может содержать более 100 миллиардов транзисторов, содержать более 70 слоев и иметь более 100 километров проводки, и все это на куске кремния размером примерно в полтора раза больше стандартной почтовой марки. Чтобы создать эти крошечные элементы, литографическая машина работает поэтапно, вытравливая узоры транзисторов и металлических проводов на пластине, слой за слоем. Одна пластина может содержать сотни чипов.
Инструмент ASML сложен, но его основной принцип во многом похож на принцип работы старого диапроектора: свет проходит через трафарет, чтобы спроецировать изображение на поверхность. Наименьший элемент, который может напечатать оптический литографический инструмент, зависит в основном от двух факторов. Первый — это длина волны света. Так же, как более тонкая кисть позволяет делать более подробные мазки, более короткие длины волн позволяют создавать более мелкие узоры. Старые системы ASML использовали глубокий ультрафиолетовый ( DUV ) свет с длиной волны от 248 нм до 193 нм, создавая элементы размером всего 38 нм.
Чтобы еще больше уменьшить характеристики чипа, ASML обратилась к EUV- свету с длиной волны 13,5 нм. В то время как EUV естественным образом испускается в космосе солнечной короной, его создание на Земле гораздо сложнее. EUV- свет также полностью поглощается воздухом, стеклом и большинством материалов, поэтому процесс должен быть заключен в вакуум, с использованием специальных зеркал для отражения и направления света. ASML потратила два десятилетия на совершенствование метода, который стреляет лазерами по каплям расплавленного олова для создания и генерации этого неуловимого луча.
Другой циферблат, который устанавливает наименьший размер элемента, — это числовая апертура ( NA ) зеркал, мера того, сколько света они могут собрать и сфокусировать. Последние системы ASML , называемые high -NA EUV , используют зеркала с апертурой 0,55, что позволяет печатать элементы на чипах размером всего 8 нм. Чтобы сделать их еще меньше, фирма изучает то, что она называет hyper- NA , увеличивая апертуру до более чем 0,75, продолжая использовать существующий EUV- свет. Более высокая NA означает, что зеркала собирают и фокусируют свет, поступающий с более широкого диапазона углов, что повышает точность. Это имеет свою цену. Более крупные NA требуют более крупных зеркал для перехвата и направления расширенных световых путей. Когда ASML увеличила NA своих машин с 0,33 до 0,55, зеркала увеличились вдвое и стали в десять раз тяжелее, теперь веся несколько сотен килограммов. Повторное увеличение NA только добавит объема, вызывая опасения по поводу энергопотребления.
Еще одним препятствием является ценообразование. ASML не раскрывает точных цифр, но ее последняя машина EUV была почти в два раза дороже своей предшественницы. Система hyper- NA будет еще дороже. Хотя компания предупреждает, что нет никаких гарантий, что она когда-либо будет произведена, Йос Беншоп, глава технологий ASML , считает, что машина hyper- NA может появиться в течение следующих пяти-десяти лет, в зависимости от спроса.
Некоторые исследователи уже планируют выйти за рамки EUV- света, стремясь к длинам волн около 6 нм. Это потребует прорывов в источниках света, оптике и фоторезисте (светочувствительном покрытии пластин). Более короткие длины волн также приносят новые проблемы, включая «дробовой шум» или случайные движения частиц, которые размывают узоры. Но Ясин Экинчи из Института Пауля Шеррера, швейцарского исследовательского центра, рассматривает это как «план Б », если гипер- NA не справится.
В то время как ASML расширяет границы оптической литографии, Китай, отрезанный от самых современных инструментов для производства чипов, пытается извлечь больше из старых машин ASML (способных производить 28 нм и выше), которые он все еще может импортировать. Один из подходов — многошаблонное нанесение, при котором шаблон разбивается на несколько этапов травления, что позволяет машине печатать детали в два или четыре раза меньшего размера. Многошаблонное нанесение эффективно, но добавляет сложности и замедляет производство.
Китай также пытается создать собственные литографические инструменты. Сообщается, что государственная фирма SMEE добивается прогресса в работе над машиной, способной производить 28-нм чипы с использованием DUV- света. Но разработка EUV- системы — это совершенно другая задача. Джефф Кох из исследовательской фирмы SemiAnalysis отмечает, что помимо освоения EUV- света Китаю необходимо будет повторить обширную цепочку поставок ASML , охватывающую более 5000 специализированных поставщиков.
Таким образом, доминирование ASML в области высококлассной литографии кажется непоколебимым. Но Canon, некогда лидер отрасли, делает ставку на альтернативу. Наноимпринтная литография ( NIL ) штампует схемы непосредственно на пластинах, как печатный станок. Теоретически NIL может создавать элементы с нанометровой точностью, предлагая недорогого и компактного конкурента EUV - машинам ASML .
Процесс NIL начинается с создания мастер-маски, на которой электронным лучом вытравлен шаблон схемы. Затем капли жидкой смолы наносятся на пластину, прежде чем маска прижимает рисунок схемы к пластине. Затем ультрафиолетовый свет используется для затвердевания смолы и формирования рисунков схемы, после чего маска удаляется. Этот шаг повторяется для каждого слоя чипа. Canon оценивает, что ее подход стоит примерно на 40% меньше, чем сопоставимая машина от ASML .
Чтобы технология NIL стала основной технологией производства чипов, она должна преодолеть несколько проблем. Дефекты вызывают большую озабоченность — крошечные частицы или несовершенства на форме могут создавать повторяющиеся дефекты на всех пластинах. Выравнивание — еще одно препятствие. Поскольку чипы изготавливаются слоями, схемы схем каждого слоя должны точно выстраиваться. Любое изменение плоскостности пластины или небольшое несовпадение между формой и пластиной может привести к наномасштабным ошибкам, нарушая электрические соединения. Canon утверждает, что ее система достигает нанометровой точности, но поддерживать ее постоянно в процессе производства сложно. Затем следует пропускная способность, или количество пластин, которые машина может обработать за час. Высокочиповые инструменты EUV компании ASML могут обрабатывать более 180 пластин в час, а некоторые старые модели достигают почти вдвое большего показателя. Напротив, последняя система NIL компании Canon обрабатывает только 110 пластин в час, что делает ее менее подходящей для массового производства чипов — по крайней мере, на данный момент.
Пока что NIL добилась большего успеха за пределами полупроводникового производства, в частности, в производстве дисплеев смартфонов и других высокоточных компонентов. Теперь эта технология проникает в производство микросхем памяти, где более высокие показатели дефектов более приемлемы, чем в логических микросхемах. Ивамото Казунори, глава оптического подразделения Canon, считает, что NIL может сосуществовать с EUV- литографией, дешево выполняя этапы производства там, где это возможно, и избегая более мелких деталей.
Такие инновации могли бы помочь фирмам разрабатывать более быстрые и энергоэффективные чипы, способные питать новое поколение моделей ИИ . Если ASML не будет осторожен, самая важная машина в мире может не сохранить свой титул навсегда. ■
https://www.economist.com/science-and-technology/2025/03/12/the-race-is-on-to-build-the-worlds-most-complex-machine
Хотите узнать больше о мире? Чтобы насладиться нашими расширяющими кругозор научными материалами, подпишитесь на Simply Science — нашу еженедельную рассылку, доступную только подписчикам.