01 августа 2021 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович. Фото: ASML

Эта компания делает машины, которые делают процессоры. Без нее невозможно будущее

Когда вы за несколько сотен долларов покупаете процессор, выполненный по 7-нанометровому техпроцессу, к вам в руки попадает произведение искусства. Технологического искусства. Чтобы его создать, требуется невероятно длинная цепочка исследований, открытий, прорывов, инвестиций и труда. В создании такого процессора задействован весь потенциал технологий и науки, которые человечество прошло всего за несколько тысяч лет. Это цепочка из миллионов и миллионов маленьких шагов, без каждого из которых просто невозможен был бы этот конечный продукт, который я использую для игры в шестую часть «Цивилизации» на своем компьютере.

Темная лошадка из Нидерландов

Сегодня я хочу рассказать об одном, но ключевом шаге во всем этом технологическом процессе — создании машины, которая создает процессоры. По сути это не одна машина, а литографическая система. Она едва ли не более удивительная и сложная в производстве, чем сами компьютерные чипы. И делают ее в компании, исчезновение которой на добрых два десятка лет затормозило бы цифровой прогресс.

Эта компания находится в самом сердце 400-миллиардной индустрии производства чипов, без ее оборудования Intel, Samsung и TSMC не способны производить микросхемы. Оборудование это столь сложное, что в год его выпускают в объеме всего нескольких десятков. И эта сложившаяся естественным путем монополия немного пугает.

Речь про мультинациональную компанию ASML из Нидерландов, которая разрабатывает и производит системы фотолитографии — кирки для шахтеров, добывающих чипы на фабриках Intel, Samsung и TSMC. ASML — уникальная компания. Она единственная в мире сегодня владеет системами, которые способны давать излучение с длиной волны в 13,5 нм. Этот диапазон называют свержестким ультрафиолетовым излучением. Рядышком с уровнем рентгеновского излучения.

Чем ýже световая волна, тем более мелкие детали она способна рисовать на кремниевых пластинах для будущих процессоров. Чем мельче детали, тем меньше размеры транзисторов, тем больше их умещается на одном кристалле и тем производительнее и энергоэффективнее получаются чипы.

Сложно вспомнить еще одну такую компанию, которая была бы столь важной и одновременно настолько неизвестной для широкой публики.

Новейшие системы ASML стоят больше сотни миллионов долларов и жизненно необходимы для производителей чипов, которые рассчитывают выпускать их на передовых технологических процессах. Которые хотят совершенствовать свою продукцию, умещать все больше транзисторов на подложке, повышать энергоэффективность и мощность чипов.

Гонка вдолгую

Делать процессоры крайне сложно и дорого. Производство многогранно, требовательно к экспертизе и многочисленным технологиям на переднем крае науки. В этом процессе приходится плавить кремний, выращивать из этого монокристаллы цилиндрической формы, нарезать алмазной пилой эти цилиндры на тончайшие, ровные и отполированные вафли — кремниевые пластины. На эти вафли затем воздействуют светом, чтобы создать мельчайшие детали будущих интегральных схем.

Первую твердотельную интегральную схему, которую назвали микрочипом, показала в 1959 году американская компания Texas Instruments. И фотолитография сыграла значительную роль в ее создании. С помощью системы линз и зеркал на поверхности светочувствительной кремниевой пластины фокусировали лучи света, которые проходили через заранее подготовленный шаблон и запечатлевали его схему на пластине. Пластину двигают и постепенно всю покрывают шаблонным узором.

В те годы фотолитография была более грубым искусством, чем сегодня. В 1980-х годах компаний, которые делали или пытались делать фотолитографические машины, было с десяток. Среди них Canon, Nikon, а также Phillips. Эта компания из Нидерландов в 1984 году создала совместное производство вместе с компанией Advanced Semiconductor Materials. Первая хотела получить оборудование для производства собственных чипов. Вторая выпускала такое оборудование.

В годы, когда основали ASML, самым современным источником света для литографии была ртутная лампа. Ртуть нагревали током до состояния плазмы, которая испускала излучение света с различной длиной волны. С помощью специального фильтра отбиралась необходимая длина. В ASML это были 436 нанометров. Со временем длину волны уменьшали, переходя от ртутных ламп к лазерам со смесями различных газов. Криптон и фтор производили свет на волне 248 нанометров, а со временем при допиливании такие лазеры сужали волну до 150 и даже 80 нанометров. Следующим поколением лазерных технологий стали лазеры на фтористом аргоне, который излучал свет с длиной волны 193 нанометра. Уменьшение длины волны позволяло наносить на кремний все больше транзисторов меньших размеров.

Вы, вероятно, слышали про закон Мура, согласно которому каждые два года удваивается количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы. На самом деле это не обязательный к исполнению закон, а всего лишь наблюдение одного из основателей Intel, которое тем не менее долгое время выполнялось благодаря совершенствованию фотолитографического оборудования.

Сверхжесткий ультрафиолет

В начале 2000-х годов ландшафт этого рынка серьезно поменялся. Из крупных конкурентов ASML остались только Nikon и Canon, а требования рынка возросли — цифровые камеры, MP3-плееры, мобильные телефоны, все более широкое проникновение компьютерной техники в массы. Все это нуждалось в чипах. Для их совершенствования ASML решила сосредоточиться на технологии EUV — сверхжесткого ультрафиолетового излучения на длине волны в 13,5 нанометра.

Такие машины должны были каждую секунду бить лазером по потоку из 50 000 капель расплавленного олова, чтобы из образовавшейся плазмы извлечь свет на длине волны 13,5 нанометра. Эти капли диаметром всего около 25 микрон выбрасывает генератор на скорости 70 метров в секунду. Производитель сравнивает точность выстрелов по каплям с фонариком, который с Земли попал бы лучом в монетку на Луне.

Надо сказать, что все начинается с довольно простого углекислотного лазера. Но его луч проходит через пять стадий усиления в 10 000 раз каждый. На выходе получается пиковая мощность в несколько мегаватт. Столь высокая мощность нужна, так как по пути к каплям олова часть этой энергии теряется.

Притом по каплям сперва бьют лазером с низкой интенсивностью. Они приобретают форму блина, после чего уже подключается более мощный лазер, который испаряет «блин» в состояние плазмы. В этом состоянии она излучает сверхжесткий ультрафиолет. 50 000 раз каждую секунду, чтобы сверкало достаточно ярко. Параболическое зеркало собирает этот свет, фокусирует его на точке, из которой он передается на сканер в вакуумной камере и на кремниевую пластину.

Этот технологический процесс на многие годы опережал то, что было на тот момент стандартом индустрии. Однако разработка такой машины была крайне трудной. То, что задумали на рубеже тысячелетий, до рынка добралось только спустя 16 лет.

В первую очередь все упиралось в то, что сверхжесткий ультрафиолет не может распространяться в воздухе. Тот абсолютно черный для такого излучения. Так что с самого начала было очевидно, что придется работать с вакуумной камерой, куда через воздушный шлюз будет поступать пластина. Вес такой камеры в финальном продукте составляет 7,5 тонны.

К тому же через простое стекло спроецировать сверхжесткий ультрафиолет на пластину не выйдет. Стекло также поглотит излучение. Потому от линз отказались, начали искать зеркальные поверхности с достаточной отражательной способностью для EUV.

Остановились на брэгговском отражателе с показателем отражаемости в 70% от давних партнеров из оптической компании Zeiss. Их зеркало представляет собой слоистую структуру из сотни пар кремния и молибдена, уложенных слоями в несколько нанометров. Они невероятно плоские. Если такое масштабировать до размеров Германии, то самая высокая выпуклость на его поверхности не превысит 1 мм. Производство такого зеркала — отдельное искусство.

Стоит отметить, что подрядчиков и стратегических партнеров у ASML немало. Как нам известно, есть такие партнеры и в Беларуси. Тут они задействованы в обеспечении работы системы автоматизированного проектирования электронных схем и печатных плат в ASML. Такое сотрудничество продолжается уже 14-й год.

Первый прототип EUV-машины был готов в 2010 году, а первая полноценная готовая к производству — спустя шесть лет. Каждый такой аппарат весит больше 180 тонн, в нем 100 000 частей, 3000 кабелей, 40 000 болтиков. На его создание уходит больше четырех месяцев, а для доставки покупателю необходимо несколько рейсов «Боинга» с рассованными по 40 грузовым контейнерам частями.

К тому же на заводах, где работают эти системы, постоянно должны находиться специалисты ASML, которые обслуживают, ремонтируют и обновляют их.

Конкурентов нет

Машины эти прорывные, но пока не захватили весь рынок. Не каждому нужна передовая технология, многие производители довольствуются более дешевыми и старыми технологиями для производства чипов. Из 258 систем фотолитографии, которые ASML поставила в прошлом году, только 31 была со сверхжестким ультрафиолетом. Тем не менее, производитель уверен, что к 2025 году три четверти своей выручки будет получать именно от них.

Может ли кто-то повторить подобное? Время стремительно утекает, а конкурентов на горизонте и не видно. В научно-исследовательском направлении ASML трудятся 5,5 тысячи инженеров, на нужды которых выделяют ежегодно более 1 млрд евро. Для любой компании, чтобы конкурировать с ASML, потребуются десятилетия инноваций и огромный капитал. Такое могли бы себе позволить крупнейшие производители полупроводниковой продукции, однако они не хотели бы нарушить устоявшийся баланс и попасть в опалу у разработчика новейших технологий. Да и все три крупнейших производителя Intel, Samsung и TSMC в 2012 году инвестировали в ASML миллиарды долларов. Тогда рыночная капитализация ASML составляла всего $26 млрд, сегодня она перевалила за $300 млрд.

К тому же не ведутся какие-либо серьезные разработки конкурирующей со сверхжестким ультрафиолетом технологии. Компания, которая пару десятков лет экспериментировала с литографией с помощью пучка электронов, обанкротилась несколько лет назад и была выкуплена той же ASML. Разрешение у этого метода литографии было высоким, в экспериментальных установках удавалось получать структуры с разрешением менее 1 нм. Однако масштабировать эти рекорды до скоростей литографии в массовом производстве не получилось.

Монополия на будущее

TSMC сегодня покупает половину всех выпускаемых систем литографии на сверхжестком ультрафиолете. Эти машины есть и у Samsung. Intel немного отстает. В этом году будет выпущено до 50 таких машин, в следующем — до 60 штук.

Руководство ASML говорит, что нынешний дефицит чипов — это не разовая волна, а выход рынка на качественно и количественно новый уровень. А это значит, что ASML в ближайшие десятки лет будет укреплять свою естественно сложившуюся монополию. Жизненно важные для прогресса технологии будут сосредоточены в руках одной компании, которая способна превратиться в оружие геополитики.

Ее уже используют в торговой войне с Китаем. Правительство Нидерландов по настоятельным просьбам США запретило ASML продавать EUV-системы Китаю — крупнейшему рынку в мире, готовому поглощать чипы сотнями миллиардов.

Это может как замедлить технологический прогресс Поднебесной, так и вырастить местных конкурентов ASML. Китай планирует вложить $30 млрд в то, чтобы создать производство чипов, не зависящее от зарубежных компаний, и это у него вполне может получиться.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович. Фото: ASML
Без комментариев