В Коннектикуте инженеры приступили к созданию важнейшего компонента для машины, которая обещает поддерживать технологическую индустрию в том виде, в котором мы ее знаем по закону Мура, по крайней мере еще ближайшие десять лет.


Машина строится голландской компанией ASML, которая лидирует на рынке технологий получения мельчайших наноскопических элементов на микрочипах с помощью света.



ASML представила первые литографические машины с экстремальным ультрафиолетовым излучением (EUV) для массового производства еще в 2017 году, после десятилетий, потраченных на освоение данной технологии. Данный вид технологий играет решающую роль в производстве микросхем, также эти технологии используются при производстве новейших, самых передовых чипов, в том числе в новых iPhone, а также в компьютерах, используемых для искусственного интеллекта. Следующая система будет использовать новую технологию для минимизации используемой длины волны света, то есть уменьшения размера функций на полученных чипах и повышения их производительности больше, чем когда-либо прежде.

Современное поколение машин EUV, прямо скажем, очень огромное. Каждая из них размером примерно с автобус и стоит 150 миллионов долларов. Такая машина содержит около 100 000 деталей и 2 километра кабелей. Для доставки компонентов требуется 40 грузовых контейнеров, три грузовых самолета и 20 грузовых автомобилей. Только несколько компаний могут позволить себе эти машины, и большинство из них обращаются к трем ведущим мировым производителям чипов: ведущему мировому литейному заводу, тайваньской TSMC, а также Samsung в Южной Корее и Intel.

“Это действительно невероятная машина. Это абсолютно революционный продукт, прорыв, который даст новую жизнь отрасли на долгие годы”.

— говорит Хесус дель Аламо, профессор Массачусетского технологического института, который работает над новыми транзисторными архитектурами.



Гигантский кусок алюминия был вырезан в рамке, которая в конечном итоге будет содержать маску, или “сетку”, которая движется с нанометровой точностью, отражая луч ультрафиолетового света. Свет отражается от нескольких зеркал, сформированных и отполированных так точно, чтобы запечатлеть элементы размером всего в несколько десятков атомов на будущих компьютерных чипах.

Готовый компонент будет отправлен в Вельдховен в Нидерландах к концу 2021 года, а затем встроен в первый прототип машины EUV следующего поколения к началу 2022 года. Первые чипы, изготовленные с использованием новых систем, могут быть произведены Intel, которая заявила, что получит первый из них, как ожидается, к 2023 году. С меньшими элементами, чем когда-либо, и десятками миллиардов компонентов каждый, чипы, которые машина будет производить в ближайшие годы, должны быть самыми быстрыми и эффективными в истории.

Новейшая машина EUV от ASML обещает сохранить в силе идею, которая стала символом прогресса—не только в производстве микросхем, но и в технологической индустрии и экономике в целом. Только горстка компаний может позволить себе гигантскую машину ASML. Даже Китаю, к сожалению, отказали в их покупке.

Что гласит закон мура?

В 1965 году Гордон Мур, инженер-электрик и один из основателей Intel, написал статью для 35-летнего юбилейного выпуска профессионального журнала Electronics, которая включала наблюдение, которое с тех пор обрело самостоятельную жизнь. В статье Мур отметил, что до сих пор количество компонентов на кремниевом чипе примерно удваивалось каждый год, и он предсказал, что тенденция сохранится. Десять лет спустя Мур пересмотрел свою оценку до двух лет, а не одного. В последние годы эффективность закона Мура была поставлена под сомнение, хотя новые достижения в области производства и инновации в дизайне микросхем примерно соответствовали этому.

EUV использует некоторые необычные технологии для уменьшения длины волны света, используемой для изготовления чипов. Эта технология будет иметь решающее значение для создания более современных смартфонов и компьютеров, а также для ключевых областей новых технологий, таких как искусственный интеллект, биотехнологии и робототехника. “Смерть закона Мура была сильно преувеличена”, — говорит дель Аламос. “Я думаю, он будет жить довольно долго”.

На фоне недавней нехватки чипов, вызванной пандемией, продукты ASML стали центральным элементом геополитической борьбы между США и Китаем, при этом Вашингтон уделяет первостепенное внимание блокированию доступа Китая к машинам. Правительство США успешно оказало давление на голландцев, чтобы они не выдавали экспортные лицензии, необходимые для отправки машин в Китай, и ASML заявляет, что он не отправил ни одной машины в страну.

“Вы не сможете создавать передовые чипы без машин ASML”

Говорит Уилл Хант, аналитик-исследователь из Джорджтаунского университета, изучающий влияние производства чипов на международную политику.

”Многое из этого сводится к годам работы и экспериментов, и ко всему этому невероятно трудно получить доступ к технологиям"

.

Каждый компонент, входящий в состав EUV-машины, “удивительно и необычайно сложен”, — говорит он.

Изготовление микрочипов требует самых передовых разработок, которые когда-либо видел мир. Чип начинает свою жизнь в виде цилиндрического куска кристаллического кремния, который нарезается на тонкие пластины, которые затем покрываются слоями светочувствительного материала и многократно подвергаются воздействию узорчатого света. Части кремния, не затронутые светом, затем химически вытравливаются, чтобы очертить сложные детали чипа. Затем единый кусок кремния нарезают на множество отдельных кусочков.



Сокращение компонентов на чипе остается самым верным способом выжать больше вычислительной мощности из куска кремния, потому что электроны более эффективно проходят через более мелкие электронные компоненты, а компоновка большего количества компонентов в чипе увеличивает его вычислительную мощность.

Множество инноваций поддерживали закон Мура, в том числе новые конструкции чипов и компонентов. Например, в мае этого года IBM продемонстрировала новый тип транзистора, заключенного в виде ленты внутри кремния, который позволяет упаковывать больше компонентов в микросхему без уменьшения разрешения литографии.

Но уменьшение длины волны света, используемой при производстве микросхем, способствовало миниатюризации и прогрессу с 1960-х годов, и это имеет решающее значение для следующего этапа прогресса. Машины, использующие видимый свет, были заменены машинами, использующими ближний ультрафиолет, что, в свою очередь, уступило место системам, использующим глубокий ультрафиолет, чтобы зафиксировать более мелкие элементы в чипах.



Консорциум компаний, включая Intel, Motorola и AMD, начал изучать EUV как следующий шаг в литографии в 1990-х годах. ASML присоединилась в 1999 году и, будучи ведущим производителем технологий литографии, стремилась разработать первые машины EUV. Экстремальная ультрафиолетовая литография, или EUV для краткости, позволяет использовать гораздо более короткую длину волны света (13,5 нм), по сравнению с глубоким ультрафиолетовым излучением, предыдущим литографическим методом (193 нм).

Но потребовались десятилетия, чтобы решить инженерные проблемы. Генерация EUV-света сама по себе является большой проблемой. Метод ASML включает в себя направление мощных лазеров на капли олова 50 000 раз в секунду для генерации света высокой интенсивности. Линзы поглощают частоты EUV, поэтому вместо этого в системе используются невероятно точные зеркала, покрытые специальными материалами. Внутри машины ASML свет EUV отражается от нескольких зеркал, прежде чем пройти через сетку, которая перемещается с наноразмерной точностью, чтобы выровнять слои на кремнии.

“По правде говоря, на самом деле никто не хочет использовать EUV. Это всего лишь на 20 лет позже и в 10 раз дороже. Но если вы хотите построить очень плотные структуры, это единственный инструмент, который у вас есть”

— говорит Дэвид Кантер, аналитик по чипам из компании Real World Technologies.

Новая машина ASML предоставляет дополнительную опцию для создания небольших элементов на чипе: увеличенная числовая апертура, которая увеличивает разрешение изображения, позволяя свету проходить через оптику под разными углами. Это требует значительно больших зеркал и нового программного и аппаратного обеспечения для точного управления компонентами. Текущее поколение машин ASML EUV может создавать чипы с разрешением 13 нанометров. Следующее поколение будет использовать High-NA для создания функций размером 8 нанометров.

Наиболее известной компанией, использующей EUV сегодня, является TSMC, клиентами которой являются Apple, Nvidia и Intel. Intel не спешила внедрять EUV и в результате отстала от конкурентов, отсюда и ее недавнее решение передать часть своего производства на аутсорсинг TSMC.

ASML, похоже, не думает, что прогресс, достигнутый на базе ее машин, замедлится.

“Мне не нравится говорить о конце закона Мура, мне нравится говорить об иллюзии закона Мура”

— говорит Мартин ван ден Бринк, технический директор ASML, по видеосвязи из Нидерландов.

Ван ден Бринк говорит, что ASML исследовала предлагаемые преемники EUV, включая электронный луч и литографию с наноимпринтами, но не нашла их достаточно надежными, чтобы оправдать требуемые крупные инвестиции. Бринк предсказывает, что даже если чипы не станут быстрее, то это приведет к тому, что самые современные чипы станут дешевыми и будут широко использоваться.

Ван ден Бринк добавляет, что другие производственные приемы, в том числе усилия по созданию трехмерных чипов (то, что Intel и другие уже начали делать), должны продолжать повышать производительность. Он отмечает, что исполнительный председатель TSMC Марк Лю заявил, что он ожидает трехкратного повышения совокупной производительности и эффективности каждый год в течение следующих 20 лет.



Спрос на более быстрые чипы вряд ли снизится. Марк Лундстром, профессор университета Пердью, который начал работать в индустрии чипов в 1970-х годах, написал статью для журнала Science в 2003 году, в которой предсказал, что закон Мура достигнет физических пределов в течение десятилетия. “В моей карьере мы много раз думали: «Хорошо, это конец», — говорит он. “Но нет никакой опасности, что через 10 лет все замедлится. Нам просто придется сделать что-то по-другому”.

Лундстром вспоминает, как посетил свою первую конференцию по микрочипам в 1975 году. “Там выступал один парень по имени Гордон Мур”, — вспоминает он. “Он был хорошо известен в техническом сообществе, но больше его никто не знал”. “И я помню его выступление”, — добавляет Ландстром. “Он сказал: «Скоро мы сможем разместить 10 000 транзисторов на чипе». И он добавил: «Но есть ли кто-нибудь, кто может сделать хоть что-то с 10 000 транзисторами на чипе?”»