Она – монополист в области фотолитографии в глубоком ультрафиолете, от которой зависит мощность микросхем. Чем занимается ASML – в пересказе Wired.
Революционное изобретение
Производство микросхем начинается с цилиндрического слитка кремния, который нарезается на тонкие пластины. Они покрываются слоями светочувствительного материала и многократно подвергаются излучению. Части кремния, на которые не попал свет, химически вытравливаются, чтобы выявить сложные детали микросхемы. В конце кремниевые пластины разрезают на множество отдельных микросхем.
С 1960-х годов основной задачей разработчиков было уменьшение длины световой волны, поскольку именно она определяет, насколько мелкими будут детали на микросхеме. Считается, что чем больше транзисторов, тем мощнее микросхема.
Чтобы это сделать, в 1990-х годах Intel, Motorola и AMD начали развивать идею фотолитографии в глубоком ультрафиолете и разрабатывать для этого EUV-установки. В 1999 году к ним присоединилась голландская ASML — ведущий производитель литографического оборудования.
Поначалу в установках использовался свет видимой части спектра. Ему на смену пришел свет ближней УФ-области спектра, который впоследствии сделал возможным процесс фотолитография в глубоком ультрафиолете для протравления еще более мелких деталей на пластинах.
На разработку первой установки для фотолитографии в глубоком ультрафиолете потребовалось несколько десятков лет. Его массовое производство начала ASML в 2017 году.
Длина волны при EUV-литографии — 13,5 нанометров. В предыдущем методе литографии она составляла 193 нанометра, а в следующем уменьшится до 8 нанометров.
По методу ASML мощные лазеры проходят через капли олова 50 тысяч раз в секунду, производя свет высокой интенсивности. Линзы поглощают EUV-частоты, поэтому вместо них в системе используются зеркала, покрытые специальными материалами. Внутри устройства EUV-свет отражается от нескольких зеркал, прежде чем пройти через маску, которая, перемещаясь, выравнивает поверхность кремниевой пластины.
Крупнейшая компания, использующая EUV-литографию, — TSMC, клиентами которой являются Apple, Nvidia и Intel. Последняя медленно внедряла EUV и в результате отставала от конкурентов. Поэтому она передала часть своего производства на аутсорсинг TSMC.
Новая система
В 2021 году ASML занимается разработкой новой системы фотолитографии, чтобы сделать микросхемы меньше и увеличить их производительность.
Благодаря большей числовой апертуре увеличивается разрешение изображения, позволяя свету проходить через оптику под разными углами. Для этого требуются зеркальные линзы значительно большего размера, а также новое программное и аппаратное обеспечение для точного управления компонентами.
К концу 2021 года готовую деталь для новой фотолитографической установки отправят из Коннектикута в Нидерланды, в город Велдховен, а к началу 2022 года её интегрируют в первый прототип EUV-установки следующего поколения. К 2023 году компания Intel первой собирается применить новую систему для производства микросхем.
Фотолитографические установки стоят $150 тысяч, а по размеру они примерно как автобус. Для их сборки требуется 100 тысяч деталей и 2 км кабелей. В их транспортировке задействуют 40 грузовых контейнеров, 3 грузовых самолета и 20 фургонов. Поэтому лишь крупные компании-производители микросхем, такие как TSMC, Samsung или Intel, могут себе позволить это оборудование.
Передовые микросхемы невозможно создавать без оборудования ASML. Оно представляет собой комплексный механизм, каждая деталь которого важна. На производства таких установок уходят годы проб и ошибок, поэтому компаниям очень сложно получить доступ к готовой продукции.
Уилл Хант
аналитик Джорджтаунского университета
Закон Мура
В 1965 году Гордон Мур, инженер-электронщик, один из основателей американской компании Intel, написал статью к тридцатипятилетию журнала Electronics. Он подметил, что количество транзисторов на кремниевой микросхеме ежегодно увеличивалось ровно вдвое, и предсказал, что тенденция продолжится.
Десять лет спустя Мур пересмотрел свои наблюдения и изменил интервал с одного года на два. Это наблюдение получило название «закон Мура». По нему развиваются многие технологии: например, в мае 2021 года IBM представила новый тип транзисторов, который помещается внутри кремниевой пластины и позволяет разместить на ней больше компонентов без уменьшения разрешения литографии.
Однако в последнее время все больше специалистов сомневаются, что закон будет актуален для микросхем следующих поколений. Исследователи отмечают, что когда-нибудь температура и скорость света будут тормозить прогресс, из-за чего бесконечное удвоение компьютерной мощности невозможно.
Но пока закон живёт благодаря разработкам ASML, пишет Wired. Мартин Ван де Бринк, технический директор компании, считает, что новая технология будет стимулировать прогресс в индустрии микросхем, по крайней мере, в течение следующих десяти лет. По его мнению, уменьшение размера деталей со временем отойдет на второй план.
Ван ден Бринк считает, что пока нет достойной альтернативы фотолитографии в глубоком ультрафиолете. Он предсказывает, что новые методы увеличения производительности литографических машин помогут увеличить объемы производства, что приведет к большей их доступности.
Кроме того, по словам Ван ден Бринка, некоторые производственные приемы, например, вертикальное расположение компонентов на пластине, должны увеличить производительность микросхем.
Спрос на более быстрые микросхемы вряд ли снизится, пишет Wired. Марк Лундстрем, профессор в университете Пердью, написал в 2003 году статью для журнала Science, в которой предсказал, что в течение десяти лет закон Мура исчерпает себя.
Не стоит бояться, что технический прогресс остановится. Нам просто придется искать новые способы развития технологий.
