Dentro la macchina che ha salvato la legge di Moore

L'azienda olandese ASML ha speso 9 miliardi di dollari e 17 anni per sviluppare un modo per continuare a produrre chip per computer più densi.

Il modulo superiore della macchina EUV di nuova generazione di ASML è stato costruito da un pezzo di alluminio fresato da 17 tonnellate. Cristoforo Payne

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• Clive Thompson pagina di archivio

27 ottobre 2021

Patrick Whelan scruta attraverso il frontalino della sua tuta da coniglio da camera bianca per vedere come stanno andando le cose.

Davanti a lui c'è un pezzo di vetro luccicante, grande più o meno come un tostapane, che è scolpito con così tante sezioni scavate per ridurne il peso che sembra un totem alieno. Il team di Whelan lo sta incollando a un grande pezzo di alluminio delle dimensioni di un tavolino da caffè. Sia il metallo che il vetro sono stranamente lisci, essendo stati lucidati per settimane per rimuovere le piccole imperfezioni. Nelle prossime 24 ore, mentre la colla si solidifica, i lavoratori monitoreranno nevroticamente la posizione del vetro e del metallo per assicurarsi che si fondano insieme in questo modo.

Questi saranno messi insieme con precisione micron, mi dice Whelan, indicando l'apparato.

Un tecnico nelle vicinanze teme che sia troppo vicino e guaisce: Backup!

Non sto toccando! Non sto toccando! dice Whelan, ridendo.

La precisione qui è una cosa seria. Sono a Wilton, nel Connecticut, in una camera bianca dell'azienda olandese ASML, che produce la macchina per litografia più sofisticata al mondo, un processo cruciale utilizzato per creare i transistor, i cavi e altri componenti essenziali dei microchip. È un dispositivo ambito, con modelli che costano fino a 180 milioni di dollari, che viene utilizzato per realizzare microchip di appena 13 nanometri con una clip rapida. Questo livello di precisione è fondamentale se sei Intel o TSMC e desideri produrre i processori per computer all'avanguardia più veloci del mondo. La macchina finale, assemblata presso la sede di ASML nei Paesi Bassi, ha le dimensioni di un piccolo autobus e riempita con 100.000 minuscoli meccanismi coordinati, incluso un sistema che genera una specifica lunghezza d'onda di luce ultravioletta ad alta energia facendo esplodere gocce di stagno fuso con un laser 50.000 volte al secondo. Occorrono quattro 747 per spedirne uno a un cliente.

È una tecnologia molto difficile, in termini di complessità è probabilmente nella categoria Manhattan Project, afferma Sam Sivakumar, direttore della litografia di Intel.

Qui a Wilton, il modulo in vetro e metallo che Whelan e il suo team stanno costruendo è particolarmente critico. Trasporterà i modelli necessari per creare un microchip e sfreccerà avanti e indietro mentre la macchina lo fa esplodere con luce ultravioletta estrema (EUV), illuminando diverse parti del modello del chip. La luce rimbalzerà quindi su un wafer di silicio delle dimensioni di un piatto da portata, bruciando il motivo in posizione.

Whelan si avvicina a un monitor video che mostra uno di questi aggeggi di vetro-metallo che sfreccia avanti e indietro durante il test. Pesa 30 chilogrammi, ma si muove in modo confuso.

Questo sta accelerando più velocemente di un jet da combattimento, dice Whelan, la barba corta e gli occhiali oscurati dalla sua attrezzatura. Se c'è qualcosa che è allentato, volerà a pezzi. Inoltre, dice, l'apparato deve fermarsi in un punto delle dimensioni di un nanometro, quindi hai una delle cose più veloci sulla terra che si stabilisce praticamente nel punto più piccolo di qualsiasi cosa.

Questo morsetto di vetro (rettangolo nero, in alto al centro) viene utilizzato per sostenere le maschere, che contengono modelli di chip da trasferire su un wafer.

CHRISTOPHER PAYNE

Una vista più ravvicinata del morsetto di vetro utilizzato per contenere le maschere.

CHRISTOPHER PAYNE

Questa combinazione di velocità e precisione è la chiave per stare al passo con la legge di Moore: l'osservazione che il numero di transistor stipati in un microchip raddoppia all'incirca ogni due anni man mano che i componenti diventano sempre più piccoli, rendendo i chip più economici e più potenti. Più i transistor vengono imballati, più velocemente i segnali elettrici possono ruotare intorno al chip. Dagli anni '60, i produttori di chip hanno ridotto i componenti passando, ogni decennio circa, a una nuova forma di luce con una lunghezza d'onda più piccola. Ma alla fine degli anni '90, i produttori erano bloccati a una luce di 193 nanometri e stavano discutendo accanitamente su cosa fare dopo. La situazione è diventata sempre più drammatica. I produttori di chip hanno dovuto utilizzare progetti e tecniche sempre più complessi per mantenere in vigore la legge di Moore, ma sono riusciti a ottenere altri due decenni di prestazioni in aumento.

Poi, nel 2017, ASML ha presentato la sua macchina EUV pronta per la produzione, che utilizza la luce con una lunghezza d'onda di soli 13,5 nanometri. Con una lunghezza d'onda così breve, i produttori di chip potrebbero confezionare transistor più densamente che mai. Le CPU possono elaborare numeri più velocemente, utilizzare meno energia o semplicemente ridursi. Le prime generazioni di chip con minuscole funzionalità EUV sono già al lavoro per grandi aziende come Google e Amazon, migliorando la traduzione linguistica, i risultati dei motori di ricerca, il riconoscimento delle foto e persino l'IA che, come GPT-3, parla e scrive con un essere umano inquietante qualità. La rivoluzione EUV sta raggiungendo anche i consumatori di tutti i giorni, dal momento che le macchine di ASML vengono utilizzate per realizzare chip per prodotti tra cui alcuni smartphone e Mac Apple, processori AMD e il telefono Samsung Note10+. Man mano che le macchine EUV diventano più comuni, aumenterà le prestazioni e ridurrà la richiesta di energia su un numero sempre maggiore di dispositivi di uso quotidiano. La tecnologia EUV consente inoltre progetti più semplici, che consentono ai produttori di chip di muoversi più velocemente e di produrre più chip per wafer, con conseguenti risparmi sui costi che possono essere trasferiti ai consumatori.

Il successo della litografia EUV era tutt'altro che garantito. La luce è così diabolicamente difficile da manipolare che per anni gli esperti hanno predetto che ASML non l'avrebbe mai capito. In effetti, i rivali di ASML, Canon e Nikon, hanno entrambi rinunciato a provarci anni fa. Così ASML ora ha un angolo sul mercato: se vuoi creare i processori più all'avanguardia, hai bisogno di una delle sue macchine. ASML ne produce solo 55 all'anno e vende rapidamente ai giganti dei chip del settore; attualmente ne sono installati oltre 100.

La legge di Moore sta fondamentalmente andando in pezzi e senza questa macchina non c'è più, afferma Wayne Lam, direttore della ricerca presso CCS Insight. Non puoi davvero creare processori all'avanguardia senza EUV.

È estremamente raro che una singola azienda possieda il monopolio su una parte così importante della produzione di microchip. Ancora più sorprendente è l'assoluta fatica del lavoro: ci sono voluti 9 miliardi di dollari ad ASML in ricerca e sviluppo e 17 anni di ricerca, una serie ininterrotta di sperimentazione, ritocchi e aha scoperte. EUV è ora qui, sta funzionando. Ma lo sforzo e il tempo impiegato per realizzarlo, e il suo ingresso in ritardo sulla scena, solleva alcune inevitabili domande. Per quanto tempo EUV sarà in grado di mantenere in vigore la legge di Moore? E cosa accadrà dopo?

ASML utilizza questo robot arancione, costruito da KUKA Robotics, per spostare pezzi pesanti di macchine EUV sul pavimento della camera bianca.

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Quando Jos Benschop è entrato in ASML nel 1997, era uscito da un lungo periodo con Phillips e sono approdato in un'industria di chip preoccupata per il suo futuro. Per decenni, gli ingegneri nella fabbricazione di chip hanno imparato l'arte della litografia. Il concetto è semplice. Progetti i componenti di un chip, i suoi fili e semiconduttori, e poi li incidi in una serie di maschere, proprio come crei uno stencil per mettere un motivo su una maglietta. Quindi metti ogni maschera su un wafer di silicone e fai brillare la luce attraverso di essa (più o meno equivalente a spruzzare la vernice sullo stencil). La luce indurisce il resist, uno strato chimico sulla superficie del wafer; poi altre sostanze chimiche incidono quel modello nel silicio. Negli anni '60, i produttori di chip utilizzavano la luce visibile per questo processo, con una lunghezza d'onda di appena 400 nanometri. Quindi sono passati alla luce ultravioletta, a 248 nm, e l'hanno gradualmente ridotta a 193 nm, ciò che viene spesso chiamato UV profondo. Ogni interruttore ha acquistato loro un'estensione di diversi anni della legge di Moore.

Ma alla fine degli anni '90, avevano focalizzato gli UV profondi il più strettamente possibile e non erano sicuri di come ridurli. Sembrava che fosse necessaria una nuova fonte di luce. ASML all'epoca era una piccola azienda di 300 persone che vendeva con successo i suoi strumenti di litografia UV profonda. Ma per rimanere rilevanti, si sono resi conto che avrebbero dovuto fare una seria ricerca e sviluppo.

Benschop, un dirigente alto e spigoloso con modi esuberanti ma ironici, fu assunto come primo impiegato di ricerca. Iniziò a partecipare a grandi conferenze, che si tenevano due volte l'anno, in cui profondi pensatori delle principali aziende di chip e agenzie governative si accarezzavano il mento e discutevano su quale forma di luce utilizzare successivamente.

Quale sarebbe il prossimo ragazzo sul blocco? era come l'ha messa Benschop quando abbiamo parlato su Zoom la scorsa estate. Gli esperti hanno valutato diverse opzioni, tutte con enormi problemi. Un'idea era quella di utilizzare uno spray di ioni per disegnare motivi sui chip; funzionerebbe, ma nessuno potrebbe capire come farlo rapidamente su larga scala. Lo stesso valeva per sparare fasci di elettroni. Alcuni hanno sostenuto l'uso dei raggi X, che hanno una lunghezza d'onda minuscola, ma hanno avuto sfide proprie. L'idea finale era l'ultravioletto estremo, con una lunghezza d'onda che può arrivare fino a 13,5 nanometri, abbastanza vicino ai raggi X. Sembrava buono.

Il problema era che EUV avrebbe richiesto una forma completamente nuova di macchina per litografia. Quelli esistenti utilizzavano lenti in vetro tradizionali per focalizzare la luce sul wafer. Ma la luce EUV viene assorbita dal vetro; si ferma morto. Se volessi metterlo a fuoco, dovresti sviluppare specchi curvi come quelli usati nei telescopi spaziali. Peggio ancora, l'EUV viene persino assorbito dall'aria, quindi dovresti rendere l'interno della tua macchina un vuoto perfettamente sigillato. E dovresti generare luce EUV in modo affidabile; nessuno era sicuro di come farlo.

Intel aveva armeggiato con l'idea, così come il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Ma questi erano principalmente esperimenti di laboratorio. Per creare una macchina per litografia valida per la produzione di chip, è necessario sviluppare tecniche affidabili che possano funzionare rapidamente e produrre chip in blocco.

Dopo tre anni di riflessione, nel 2000 ASML ha deciso di giocare d'azzardo con l'azienda e provare a padroneggiare EUV. Erano una piccola azienda, ma se potessero farcela, diventerebbero un gigante.

C'erano così tanti problemi di ingegneria per risolverlo, come ricorda Benschop, non abbiamo avuto lo slancio per farlo da soli. Così i dirigenti di ASML hanno iniziato a chiamare le aziende che avevano realizzato componenti per le loro macchine esistenti. Una telefonata è andata a Zeiss, l'azienda di ottica tedesca che da anni produceva lenti in vetro per ASML.

Gli ingegneri di Zeiss avevano esperienza con EUV, inclusa la realizzazione di lenti e specchi estremamente precisi per telescopi a raggi X. Il trucco consisteva nel rivestire la superficie degli specchi EUV con strati alternati di silicio e molibdeno, ciascuno spesso solo pochi nanometri. Insieme producono uno schema che riflette fino al 70% della luce EUV che lo colpisce.

Il problema era come lucidarli. La macchina finirebbe per aver bisogno di 11 specchi per far rimbalzare la luce EUV e focalizzarla sul chip, un po' come 11 giocatori di ping-pong che fanno rimbalzare una palla da uno all'altro verso un bersaglio. Poiché l'obiettivo era incidere i componenti del chip misurati in nanometri, ogni specchio doveva essere incredibilmente liscio. Il più piccolo difetto manderebbe i fotoni EUV fuori strada.

SINISTRA: questa ottica lucida fa parte di un sensore di energia che aiuta a controllare l'intensità della luce all'interno delle macchine litografiche. A DESTRA: Uno sguardo più da vicino a un'unità di lucidatura. I pezzi di vetro mostrati qui sono disposti ad angoli per ottenere la smussatura corretta.

Queste unità di lucidatura vengono utilizzate per levigare i componenti che entrano nella macchina EUV di ASML.

Alcune ottiche come quella mostrata in alto a sinistra sono lucidate meccanicamente. Un componente può trascorrere molte settimane in un processo di lucidatura a più stadi, con i tecnici che controllano la levigatezza fino a una precisione nanometrica.

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Per dare un senso di scala, se prendessi lo specchio nel tuo bagno e lo gonfiassi fino alle dimensioni della Germania, avrebbe dei dossi alti circa cinque metri. Ingrandito fino alla stessa dimensione, lo specchio EUV più liscio che gli ingegneri di Zeiss avessero mai realizzato, per i telescopi spaziali, avrebbe delle protuberanze alte solo due centimetri. Questi specchi per ASML dovrebbero essere di ordini di grandezza più lisci: se fossero delle dimensioni della Germania, le loro maggiori imperfezioni potrebbero essere alte meno di un millimetro. Questi sono davvero gli specchi più precisi al mondo, afferma Peter Kürz, responsabile dello sviluppo della prossima generazione di ottiche EUV presso Zeiss.

Gran parte del lavoro di Zeiss consisterebbe nell'ispezione degli specchi per cercare le imperfezioni e quindi nell'uso di un raggio ionico per staccare le singole molecole, levigando gradualmente la superficie nel corso di mesi e mesi di lavoro.

Mentre Zeiss sviluppava gli specchi, Benschop e altri fornitori ASML stavano lavorando alla loro altra grande sfida: come creare una sorgente di luce che producesse un flusso costante di EUV.

Li perseguiterebbe per anni.

Per generare EUV, devi creare un plasma, una fase delicata della materia che esiste solo a temperature estremamente elevate. Dopo i primi esperimenti di zapping al litio con impulsi laser per produrre luce EUV, sono passati allo stagno, che ha prodotto esplosioni più grandi.

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All'inizio degli anni 2000, in collaborazione con l'azienda di San Diego Cymer e l'azienda di laser tedesca Trumpf, ASML aveva costruito una sorta di aggeggio Rube Goldberg. C'è un recipiente riscaldato che mantiene lo stagno allo stato liquido. Si alimenta in un ugello che spara una goccia di stagno fuso, un terzo del diametro di un capello umano, afferma Danny Brown, vicepresidente dello sviluppo tecnico dell'azienda di origine australiana, nella parte inferiore della macchina, monitorando i sistemi di telecamere il suo progresso. Quando raggiunge il centro della camera di produzione della luce, un impulso laser colpisce la gocciolina di stagno. Immolato in una raffica che raggiunge una temperatura di circa 500.000 K, lo stagno produce un plasma che brilla di luce EUV. Il meccanismo ripete questo processo, sparando e distruggendo le goccioline di stagno, 50.000 volte al secondo.

Non è semplice, mettiamola così, dice Brown seccamente.

Sebbene ora potessero generare luce EUV, Brown e il suo team hanno scoperto rapidamente nuovi problemi. Gli ioni delle esplosioni di stagno ostruirebbero l'ottica. Per ripulire le cose, si resero conto, avrebbero potuto pompare idrogeno nella camera di luce, dove avrebbe reagito con gli ioni di stagno e avrebbe aiutato a rimuoverli.

Ma stavano rapidamente cadendo in ritardo sul programma. Benschop aveva inizialmente previsto che avrebbero avuto macchine EUV in volume entro il 2006. In realtà, entro quell'anno avevano prodotto solo due prototipi. I prototipi hanno funzionato, incidendo modelli più finemente di qualsiasi macchina per litografia della storia. Ma erano dolorosamente lenti. La fonte di luce era ancora troppo scarsa. In litografia, ogni fotone conta; più densamente puoi generarli, più velocemente puoi posizionare un motivo sul silicio.

Nel frattempo, la macchina stava crescendo fino a raggiungere dimensioni incredibilmente complesse. Conteneva bracci robotici che muovevano wafer, motori che acceleravano il reticolo, quel grosso pezzo di vetro che tiene il modello, fino a 32 volte la gravità terrestre e ben 100.000 parti, 3.000 cavi, 40.000 bulloni e due chilometri di tubi. Peggio ancora, tutto era interconnesso: far funzionare una parte e creerebbe un problema da qualche altra parte. Si è scoperto, ad esempio, che il calore della luce EUV alterava microscopicamente le dimensioni degli specchi. Ciò ha costretto Zeiss e ASML a sviluppare sensori in grado di rilevare qualsiasi cambiamento, attivando un software che sposterebbe le posizioni degli specchi utilizzando attuatori di precisione.

Quando abbiamo corretto un problema, siamo passati al successivo, dice Benschop. Ogni montagna che hai scalato, hai visto la montagna successiva che era ancora più alta.

Molti osservatori nel settore dei microchip, osservando ASML sempre in ritardo rispetto alla pianificazione, hanno pensato che avrebbero fallito.

Queste pompe turbomolecolari rimuovono l'aria e altri gas per produrre un vuoto all'interno della macchina EUV, fondamentale perché la luce EUV viene assorbita dall'aria. Le pompe girano a 30.000 giri/min ed eliminano le singole molecole di gas, una per una.

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Il novantacinque percento del denaro intelligente pensava che EUV non avrebbe mai funzionato, afferma CJ Muse, analista del settore dei semiconduttori con Evercore.

Mentre l'ASML si è scagliato contro EUV, loro e il resto del settore stavano eseguendo trucchi sempre più elaborati per estendere il più possibile le prestazioni della luce UV profonda, per imballare più transistor sui chip. Una tecnica, chiamata immersione, consisteva nel mettere uno strato d'acqua sopra il chip, che rifrattava la luce in entrata e gli permetteva di essere focalizzata in uno schema più stretto.

Gli ingegneri della litografia hanno anche sviluppato una tecnica per modellare e ritagliare più volte uno strato di trucioli, ciò che è noto come modellazione multipla, per produrre dettagli più fini. Insieme, questi approcci hanno spinto i componenti del chip fino a 20 nanometri.

Ma queste strane innovazioni hanno anche reso l'atto di fabbricazione di chip molto più complesso. L'immersione ha richiesto la gestione della presenza dell'acqua nel delicato processo di litografia, compito non facile. E i progettisti di chip hanno trovato oneroso modificare i loro progetti per lavorare con più modelli. Deep UV stava finendo il vapore e tutti lo sapevano.

Verso la metà degli anni 2010, tuttavia, sembrava che EUV potesse finalmente venire in soccorso. Brown e il suo team si erano tuffati nella letteratura scientifica, alla ricerca di modi per ottenere di più da ogni goccia di latta. In qualità di ex ricercatore universitario che ha studiato fisica del plasma, era noto all'interno dell'ASML per aver sollevato questioni scientifiche a punta; il CTO scherzosamente gli ha dato una targa decorata con le parole Scientificamente Accurato ma Praticamente Inutile.

Questa volta, però, immergersi nella letteratura scientifica ha dato i suoi frutti. Suggerì il concetto di colpire ogni goccia di stagno con il laser due volte. Una prima esplosione appiattirebbe la goccia a forma di frittella, il che ha consentito a una seconda esplosione, milionesimo di secondo dopo, di produrre molto più EUV. Il team di Brown ha escogitato un modo per farlo su larga scala.

Altre scoperte sono arrivate per fortuna. Con il miglioramento della loro capacità di immolare lo stagno, il processo ha prodotto più detriti di quanti l'idrogeno potesse ripulire. Le prestazioni dello specchio erano degradanti. Poi un giorno hanno notato qualcosa di divertente: gli specchietti non si sono degradati così rapidamente dopo che la macchina è stata aperta per la manutenzione. Come si è scoperto, l'ossigeno nell'aria che entrava ha contribuito a invertire la contaminazione. ASML ha integrato nel progetto l'aggiunta occasionale di piccole quantità di ossigeno.

Entro la metà del 2017, l'azienda ha finalmente realizzato una demo funzionante che ha inciso i chip a un ritmo favorevole al settore: 125 wafer all'ora. Dal suo ufficio di San Diego, Brown ha assistito alla demo nei Paesi Bassi. Era euforico; si era cambiato in una camicia hawaiana, proclamando che finalmente sarebbe stato in grado di andare in vacanza.

Questa cosa era come zzzt zzzt zzzt zzzt , ricorda, imitando la velocità del reticolo che sfreccia intorno e il braccio robotico che scivola in un nuovo wafer circa ogni 30 secondi. È stato l'ultimo domino a dire sostanzialmente: 'Sì, accadrà la litografia EUV'.

Quell'anno, ASML iniziò finalmente a distribuire macchine che avrebbero rivoluzionato la produzione di chip. Una volta che il mercato si è reso conto che ASML aveva il monopolio degli strumenti all'avanguardia, le sue azioni hanno iniziato a salire, raggiungendo $ 549 e rendendo la capitalizzazione di mercato dell'azienda quasi grande quanto quella di Intel.

Se sei un riduttore come me, la macchina è davvero stupenda da vedere —una meraviglia dell'ingegneria. Quando ho visitato Wilton, mi hanno accompagnato per vedere un enorme blocco di alluminio fresato che forma la parte superiore del dispositivo. È lungo otto piedi, largo sei piedi e spesso due piedi. Luccicante come il telaio di un'astronave, contiene il reticolo di vetro e ha anche montato su di esso enormi pompe molecolari a forma di botte. Ogni pompa contiene minuscole lame che girano a 30.000 giri/min, aspirando tutti i gas dalla macchina per produrre un vuoto all'interno. In realtà sbattono via le molecole del gas, una alla volta, mi ha detto Whelan.

Si potrebbe obiettare che il principale successo di ASML non è stato tanto nel costruire macchinari quanto nel misurarlo. Quando mi sono tolto il costume da coniglio, ho visitato l'officina meccanica, dove enormi pezzi di vetro venivano intagliati per il reticolo. Dopo che ogni pezzo di vetro è stato fresato, viene posizionato su macchine che lo levigano gradualmente per centinaia di ore nell'arco di diverse settimane. Come mi ha detto il responsabile dell'officina meccanica Guido Capolino, misurano sempre il vetro per vedere quante imperfezioni vengono rimosse, a cominciare dai micron grossolani. Indicò una lucidatrice dietro di noi, dove i pezzi di vetro ruotavano lentamente sopra un impasto liquido per lucidatura.

Questa configurazione sperimentale da tavolo presso lo stabilimento ASML di San Diego viene utilizzata per testare gruppi di generatori di goccioline, parte della sorgente di luce della macchina EUV.

Gli specchi all'interno della macchina per litografia possono accumulare detriti di stagno dalla sorgente di luce EUV. Dopo che gli specchi sono stati puliti e lucidati, questa macchina viene utilizzata per esaminarli.

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Siamo giù a angstrom e nanometri per la variabilità qui, ha detto. L'uso del vetro nel reticolo è fondamentale; non si deforma con il calore tanto quanto il metallo. Ma è diabolicamente difficile da scolpire, l'ennesimo problema che gli ingegneri hanno dovuto risolvere lentamente.

Il successo di ASML con EUV ha conquistato il profondo rispetto dell'azienda nel settore dei microchip. Chris Mack, un veterano di quattro decenni di litografia su chip, è attualmente il chief technology officer di Fractilia, un'azienda che produce software per la produzione di chip. Dice che il motivo per cui ASML e i suoi partner hanno avuto successo, dove altri non hanno mai nemmeno osato provare, è la pura e tenace persistenza.

Hanno sbucciato la cipolla, mi ha detto. Vanno, Oh, ora ho il livello successivo. E poi tirano quello strato. E poi nessuno sa davvero se è marcio nel nucleo o se andrà bene. Continuano solo a sbucciarlo. E a loro merito, non si sono mai arresi.

Ora che hanno la capacità di continuare a creare componenti sempre più piccoli , le principali aziende come Intel, TSMC e Samsung possono costruire chip sempre più veloci e a risparmio energetico.

I nostri designer possono tirare un sospiro di sollievo, afferma Sam Sivakumar di Intel. La legge di Moore è viva.

Man mano che più macchine EUV diventano online e il loro costo si ammortizza, la tecnologia scenderà a un numero crescente di dispositivi di uso quotidiano. L'unico posto che non trarrà vantaggio dalla rivoluzione EUV, almeno a breve termine, è la Cina.

Una sorgente di luce EUV si trova in un'area di prova in una camera bianca ASML.

Preoccupate che la Cina rappresenti una minaccia tecnologica, entrambe le amministrazioni Trump e Biden hanno fatto pressioni con successo sui Paesi Bassi per impedire ad ASML di vendere macchine EUV ai clienti lì.

La Cina può semplicemente creare i propri dispositivi EUV? Alcuni osservatori del settore sospettano che non sia possibile. Il successo di ASML con EUV ha richiesto un'enorme collaborazione con aziende con sede ovunque, dalla Germania e dagli Stati Uniti al Giappone (il che rende le sostanze chimiche fondamentali per le maschere litografiche). La Cina, essendo relativamente isolata, da sola ha poche possibilità, secondo Will Hunt, analista del Center for Security and Emerging Technology della Georgetown University. Non può davvero colmare quel divario, dice.

Ciò che è possibile, suggeriscono altri osservatori, è che ci sarà semplicemente un ritardo nella capacità della Cina di acquistare macchine EUV. In genere, i produttori di chip cinesi lavorano con strumenti di ultima generazione che sono un passo indietro rispetto a quelli utilizzati da TSMC a Taiwan, Samsung in Corea o Intel negli Stati Uniti, afferma CJ Muse. Quindi, quando la prima generazione di macchine EUV di ASML diventerà un po' più vecchia, tra qualche anno, e l'industria passerà a modelli più recenti, la Cina potrebbe essere autorizzata ad acquistarle.

E infatti ASML sta già lavorando a una versione migliorata del dispositivo. Sarà in grado di focalizzare la luce EUV in misura ancora più nitida grazie a quella che è nota come un'apertura numerica più elevata, consentendogli di incidere componenti che potrebbero essere larghi meno di 10 nanometri. Questa macchina EUV ad alto NA avrà specchi più grandi, richiedendo che anche l'intera macchina ingrandisca. Intel è attualmente il primo cliente per una di queste macchine di nuova generazione e prevede di vendere i suoi primi chip costruiti con esse entro il 2025.

ASML e la maggior parte degli osservatori ritengono che EUV aiuterà i chip a progredire almeno fino al 2030, e forse più a lungo. Dopotutto, alcuni dei trucchi che i progettisti di chip hanno sviluppato per mantenere i raggi UV profondi così a lungo dovrebbero essere ripetibili con EUV.

Ma ad un certo punto nel prossimo decennio, il desiderio dell'industria dei chip di ridurre le funzionalità inizierà a scontrarsi con alcune limitazioni fisiche che sono ancora più difficili di quelle che hanno attualmente superato. Per prima cosa, iniziano ad emergere problemi quantistici. In effetti, lo hanno già fatto: i produttori di chip che utilizzano le macchine EUV di ASML devono lottare con errori stocastici: i raggi di luce EUV si smarriscono naturalmente, producendo schemi errati sui chip. Questi non sono ancora problemi clamorosi, ma aggrotteranno le sopracciglia sempre di più i piccoli produttori di chip.

Supponendo che un NA elevato mantenga la legge di Moore fino al 2030, cosa prenderà il sopravvento allora? Gli esperti del settore ritengono che ASML continuerà a esplorare dispositivi con apertura numerica ancora più elevata, consentendo loro di concentrare l'EUV su punti sempre più piccoli. Allo stesso tempo, i progettisti di chip stanno esaminando strategie per migliorare i chip che non dipendono così tanto da un'ulteriore miniaturizzazione, come estendere le architetture verso l'alto e costruire nella terza dimensione impilando gli strati di chip. Nessuno lo sa ancora su quale tecnologia di litografia potrebbe venire dopo EUV. Sivakumar di Intel non speculerebbe; Mack ha affermato che al di fuori dell'EUV ad alta NA, nient'altro è in fase di sviluppo intensivo.

All'interno della camera bianca di Wilton, Whelan mi ha dato un'occhiata alla loro macchina EUV ad alto NA. Ha arrotolato un'enorme porta in stile garage e mi ha fatto entrare in una nuova enorme stanza pulita delle dimensioni di un campo da calcio. Nell'angolo c'era un letto a reticolo di alluminio lucido. Era proprio come quello che avevo visto per la macchina EUV originale, ma non poteva più stare comodamente in soggiorno; era grande quasi quanto un vagone della metropolitana e pesava ben 17 tonnellate. Hanno dovuto installare delle gru sul tetto per spostarlo.

Quindi questa, ha detto Whelan, sarà la macchina che ci aiuterà a continuare a spingere la legge di Moore nel futuro.

Correzione: una versione precedente di questo articolo affermava che sono state installate più di 1.000 macchine EUV. In realtà, sono più di 100.

Clive Thompson è un giornalista di scienza e tecnologia con sede a New York City e autore di Programmatori: la creazione di una nuova tribù e il rifacimento del mondo.