211service.com
In de machine die de wet van Moore heeft gered
Het Nederlandse bedrijf ASML besteedde $ 9 miljard en 17 jaar aan het ontwikkelen van een manier om steeds dichtere computerchips te maken.
De bovenste module van ASML's volgende generatie EUV-machine is gemaakt van een stuk gefreesd aluminium van 17 ton. Christopher Payne
27 oktober 2021Patrick Whelan tuurt door de voorplaat van zijn cleanroom-konijnenpak om te zien hoe het gaat.
Voor hem staat een glanzend stuk glas, ongeveer zo groot als een broodrooster, dat is uitgehouwen met zoveel uitgeholde delen om het gewicht te verminderen dat het lijkt op een buitenaardse totem. Het team van Whelan lijmt het op een groot stuk aluminium ter grootte van een salontafel. Zowel metaal als glas zijn griezelig glad en zijn wekenlang gepolijst om minuscule onvolkomenheden te verwijderen. In de komende 24 uur, terwijl de lijm stolt, zullen werknemers neurotisch de positie van het glas en het metaal controleren om er zeker van te zijn dat ze precies zo samensmelten.
Deze worden tot op micron nauwkeurig bij elkaar geplaatst, zegt Whelan, terwijl hij naar het apparaat gebaart.
Een technicus in de buurt maakt zich zorgen dat hij te dichtbij is en gilt: Maak een back-up!
ik raak niet aan! ik raak niet aan! zegt Whelan lachend.
Precisie is hier een serieuze zaak. Ik ben in Wilton, Connecticut, in een cleanroom van het Nederlandse bedrijf ASML, dat 's werelds meest geavanceerde machine voor lithografie maakt - een cruciaal proces dat wordt gebruikt om de transistors, draden en andere essentiële componenten van microchips te maken. Het is een begeerd apparaat, met modellen die maar liefst $ 180 miljoen kosten, dat wordt gebruikt om microchipfuncties zo klein als 13 nanometer in een snelle clip te maken. Dat niveau van precisie is cruciaal als je Intel of TSMC bent en 's werelds snelste geavanceerde computerprocessors wilt maken. De laatste machine, geassembleerd op het hoofdkantoor van ASML in Nederland, heeft de grootte van een kleine bus en is gevuld met 100.000 kleine, gecoördineerde mechanismen, waaronder een systeem dat een specifieke golflengte van hoogenergetisch ultraviolet licht genereert door gesmolten tindruppels met een laser 50.000 keer per seconde. Er zijn vier 747's nodig om er een naar een klant te verzenden.
Het is een zeer moeilijke technologie - qua complexiteit valt het waarschijnlijk in de categorie Manhattan Project, zegt Sam Sivakumar, Intel's directeur lithografie.
Hier in Wilton is de glas-en-metaalmodule die Whelan en zijn team aan het bouwen zijn bijzonder kritiek. Het zal de patronen dragen die nodig zijn om een microchip te maken, en het zal heen en weer suizen terwijl de machine het met extreem ultraviolet (EUV) licht bestraalt, waardoor verschillende delen van het chippatroon worden verlicht. Het licht zal dan terugkaatsen naar een siliciumwafel ter grootte van een bord, waardoor het patroon op zijn plaats wordt verbrand.
Whelan loopt naar een videomonitor waarop een van deze glas-metalen constructies heen en weer ritselt tijdens het testen. Hij weegt 30 kilogram, maar beweegt in een waas.
Dit accelereert sneller dan een straaljager, zegt Whelan, zijn kortgeknipte baard en bril verduisterd door zijn uitrusting. Als er iets los zit, vliegt het uit elkaar. Bovendien, zegt hij, moet het apparaat stoppen op een plek ter grootte van een nanometer - dus je hebt een van de snelste dingen op aarde die zich op vrijwel de kleinste plek van wat dan ook nestelt.
Deze glasklem (zwarte rechthoek, midden boven) wordt gebruikt om maskers vast te houden, die chippatronen bevatten die naar een wafer moeten worden overgebracht.
CHRISTOPHER PAYNE
Een beter zicht op de glasklem die wordt gebruikt om maskers vast te houden.
CHRISTOPHER PAYNEDeze combinatie van snelheid en nauwkeurigheid is essentieel om de Wet van Moore bij te houden: de observatie dat het aantal transistors dat in een microchip is gepropt, ongeveer elke twee jaar verdubbelt naarmate componenten steeds kleiner worden, waardoor de chips goedkoper en krachtiger worden. Hoe strakker je transistors verpakt, hoe sneller elektrische signalen rond de chip kunnen ritselen. Sinds de jaren ’60 hebben chipmakers de componenten verkleind door om de tien jaar over te schakelen op een nieuwe vorm van licht met een kleinere golflengte. Maar tegen het einde van de jaren '90 zaten fabrikanten vast aan 193-nanometer licht - en ze waren fel aan het discussiëren wat ze nu moesten doen. De situatie werd steeds nijpender. Chipmakers moesten steeds complexere ontwerpen en technieken gebruiken om de wet van Moore in stand te houden, maar ze slaagden erin om nog eens twee decennia van toenemende prestaties te behalen.
In 2017 onthulde ASML zijn productieklare EUV-machine, die licht gebruikt met een golflengte van slechts 13,5 nanometer. Met zo'n korte golflengte kunnen chipmakers transistors dichter dan ooit tevoren inpakken. CPU's kunnen getallen sneller verwerken, minder stroom verbruiken of gewoon kleiner worden. De eerste generaties chips met minuscule EUV-functies zijn al aan het werk voor grote bedrijven zoals Google en Amazon, en verbeteren de taalvertaling, zoekresultaten van zoekmachines, fotoherkenning en zelfs AI die, net als GPT-3, praat en schrijft met een griezelig mens kwaliteit. De EUV-revolutie bereikt ook de gewone consument, aangezien de machines van ASML worden gebruikt om chips te maken voor onder meer sommige Apple-smartphones en Macs, AMD-processors en Samsungs Note10+-telefoon. Naarmate EUV-machines steeds gebruikelijker worden, zullen de prestaties verbeteren en de stroombehoefte van steeds meer alledaagse apparaten afnemen. EUV-technologie maakt ook eenvoudiger ontwerpen mogelijk, waardoor chipmakers sneller kunnen werken en meer chips per wafer kunnen produceren, wat resulteert in kostenbesparingen die aan de consument kunnen worden doorberekend.
Het succes van EUV-lithografie was verre van gegarandeerd. Het licht is zo duivels moeilijk te manipuleren dat experts jarenlang hebben voorspeld dat ASML er nooit achter zou komen. Sterker nog, ASML's rivalen, Canon en Nikon, gaven het al jaren geleden op. ASML heeft nu dus een hoekje op de markt: als je de meest geavanceerde processors wilt maken, heb je een van zijn machines nodig. ASML maakt er maar 55 per jaar en ze verkopen stevig aan de chipreuzen in de industrie; momenteel zijn er meer dan 100 geïnstalleerd.
De wet van Moore valt in feite uit elkaar en zonder deze machine is het weg, zegt Wayne Lam, onderzoeksdirecteur bij CCS Insight. U kunt geen geavanceerde processors maken zonder EUV.
Het is uiterst zeldzaam dat een enkel bedrijf een monopolie heeft op zo'n belangrijk onderdeel van de productie van microchips. Nog verbazingwekkender is de enorme sleur van het werk: het kostte ASML $ 9 miljard aan R&D en 17 jaar onderzoek, een non-stop golf van experimenteren, tweaken en aha doorbraken. EUV is nu hier - het werkt. Maar de moeite en tijd die het kostte om het voor elkaar te krijgen - en de late intrede op het toneel - roept een aantal onvermijdelijke vragen op. Hoe lang zal EUV in staat zijn om de wet van Moore in stand te houden? En wat zal er daarna gebeuren?
ASML gebruikt deze oranje robot, gebouwd door KUKA Robotics, om zware stukken EUV-machines over de cleanroomvloer te verplaatsen.
CHRISTOPHER PAYNEToen Jos Benschop in 1997 bij ASML kwam werken, had hij een lange periode achter de rug met Phillips en belandde in een chipindustrie die zich zorgen maakte over de toekomst ervan. In de loop van tientallen jaren hadden ingenieurs in de chipfabricage de kunst van de lithografie onder de knie. Het concept is eenvoudig. Je ontwerpt de componenten van een chip - zijn draden en halfgeleiders - en etst ze vervolgens in een reeks maskers, net zoals je een sjabloon maakt om een patroon op een T-shirt te zetten. Vervolgens leg je elk masker over een siliconenwafel en laat je er licht doorheen schijnen (ongeveer gelijk aan het spuiten van verf over het sjabloon). Het licht verhardt de resist, een chemische laag op het oppervlak van de wafel; dan etsen andere chemicaliën dat patroon in het silicium. In de jaren ’60 gebruikten chipmakers hiervoor zichtbaar licht, met een golflengte van slechts 400 nanometer. Daarna schakelden ze over op ultraviolet licht, bij 248 nm, en verminderden het geleidelijk tot 193 nm, wat vaak diepe UV wordt genoemd. Met elke switch kregen ze een verlenging van meerdere jaren van de wet van Moore.
Maar tegen het einde van de jaren '90 hadden ze diepe UV zo nauw gefocust als ze konden, en ze wisten niet zeker hoe ze kleiner moesten worden. Het leek erop dat er een nieuwe lichtbron nodig was. ASML was destijds een klein bedrijf van 300 mensen dat met succes zijn diep-UV-lithografiegereedschappen had verkocht. Maar om relevant te blijven, realiseerden ze zich dat ze serieuze R&D moesten doen.
Benschop - een lange, hoekige executive met een uitbundige maar wrange manier van doen - werd aangenomen als de eerste onderzoeksmedewerker. Hij begon naar grote conferenties te gaan, die twee keer per jaar werden gehouden, waar diepzinnige denkers van grote chipfabrikanten en overheidsinstanties hun kin streelden en discussieerden over welke vorm van licht ze vervolgens moesten gebruiken.
Wat zou de volgende jongen in de buurt zijn? was hoe Benschop het uitdrukte toen we afgelopen zomer spraken op Zoom. De experts dachten na over verschillende opties, die allemaal enorme problemen hadden. Een idee was om een spray van ionen te gebruiken om patronen op chips te tekenen; dat zou werken, maar niemand kon erachter komen hoe dit snel op grote schaal te doen. Hetzelfde gold voor het afschieten van elektronenbundels. Sommigen pleitten voor het gebruik van röntgenstralen, die een kleine golflengte hebben, maar ze hadden hun eigen uitdagingen. Het uiteindelijke idee was extreem ultraviolet, met een golflengte die tot wel 13,5 nanometer kan gaan - vrij dicht bij röntgenstralen. Het zag er goed uit.
Het probleem was dat EUV een geheel nieuwe vorm van lithografiemachine zou vereisen. De bestaande gebruikten traditionele glazen lenzen om het licht op de wafel te concentreren. Maar EUV-licht wordt geabsorbeerd door glas; het stopt dood. Als je het scherp wilde stellen, zou je gebogen spiegels moeten ontwikkelen, zoals die in ruimtetelescopen worden gebruikt. Erger nog, EUV wordt zelfs geabsorbeerd door de lucht, dus je zou van de binnenkant van je machine een perfect afgesloten vacuüm moeten maken. En u moet betrouwbaar EUV-licht genereren; niemand wist zeker hoe dat moest.
Intel had aan het idee gesleuteld, net als het Amerikaanse ministerie van Energie. Maar dit waren meestal laboratoriumexperimenten. Om een levensvatbare lithografiemachine voor het maken van chips te maken, moet u betrouwbare technieken ontwikkelen die snel kunnen werken en chips in bulk kunnen produceren.
Na drie jaar nadenken besloot ASML in 2000 het bedrijf op het spel te zetten en EUV onder de knie te krijgen. Ze waren een kleine firma, maar als ze het voor elkaar zouden krijgen, zouden ze een reus worden.
Er waren zoveel technische problemen om dat op te lossen, zoals Benschop zich herinnert, hadden we niet het momentum om het zelf te doen. Dus begonnen de leidinggevenden van ASML de bedrijven op te bellen die onderdelen voor hun bestaande machines hadden gemaakt. Eén telefoontje ging naar Zeiss, het Duitse optiekbedrijf dat al jaren glazen lenzen maakte voor ASML.
De ingenieurs van Zeiss hadden ervaring met EUV, waaronder het maken van uiterst nauwkeurige lenzen en spiegels voor röntgentelescopen. De truc was om het oppervlak van de EUV-spiegels te coaten met afwisselende lagen silicium en molybdeen, elk van slechts enkele nanometers dik. Samen produceren ze een patroon dat maar liefst 70% van het EUV-licht dat erop valt terugkaatst.
Het probleem was hoe ze te polijsten. De machine zou uiteindelijk 11 spiegels nodig hebben om het EUV-licht rond te kaatsen en het op de chip te concentreren, net zoals 11 pingpongspelers een bal van de ene naar de andere in de richting van een doel stuiteren. Omdat het doel was om chipcomponenten te etsen, gemeten in nanometers, moest elke spiegel verbluffend glad zijn. De kleinste fout zou EUV-fotonen op een dwaalspoor brengen.
LINKS: Deze gepolijste optiek maakt deel uit van een energiesensor die helpt bij het regelen van de intensiteit van het licht in lithografiemachines. RECHTS: Een polijsteenheid van dichterbij bekijken. De hier getoonde stukken glas zijn onder een hoek geplaatst om de juiste afschuining te verkrijgen.
Deze polijstunits worden gebruikt om componenten die in ASML's EUV-machine gaan, glad te strijken.
Een paar optieken zoals linksboven is mechanisch gepolijst. Een onderdeel kan vele weken doorbrengen in een meertraps polijstproces, waarbij technici de gladheid controleren tot op nanometer nauwkeurig.
CHRISTOPHER PAYNEOm een gevoel van schaal te geven: als je de spiegel in je badkamer zou nemen en hem zou opblazen tot de grootte van Duitsland, zou hij hobbels hebben van ongeveer vijf meter hoog. Opgeblazen tot dezelfde grootte, zou de meest vloeiende EUV-spiegel die de ingenieurs van Zeiss tot nu toe hadden gemaakt - voor ruimtetelescopen - hobbels hebben van slechts twee centimeter hoog. Deze spiegels zouden voor ASML ordes van grootte gladder moeten zijn: als ze zo groot waren als Duitsland, zouden hun grootste onvolkomenheden minder dan een millimeter hoog kunnen zijn. Dit zijn echt de meest nauwkeurige spiegels ter wereld, zegt Peter Kürz, die bij Zeiss verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van de volgende generatie EUV-optiek.
Een groot deel van het werk van Zeiss zou bestaan uit het inspecteren van de spiegels om te zoeken naar onvolkomenheden en het vervolgens gebruiken van een ionenstraal om individuele moleculen eraf te slaan, waardoor het oppervlak geleidelijk gladder wordt gedurende maanden en maanden werk.
Terwijl Zeiss de spiegels aan het ontwikkelen was, werkten Benschop en andere ASML-leveranciers aan hun andere grote uitdaging: hoe een lichtbron te creëren die een gestage stroom EUV zou produceren.
Het zou hen jarenlang achtervolgen.
Om EUV te genereren, moet je een plasma creëren, een kieskeurige fase van materie die alleen bij extreem hoge temperaturen bestaat. Na vroege experimenten die lithium met laserpulsen zapten om EUV-licht te produceren, schakelden ze over op tin, dat grotere uitbarstingen produceerde.
Verwant verhaal
We zijn niet voorbereid op het einde van de wet van Moore Het heeft de welvaart van de afgelopen 50 jaar aangewakkerd. Maar het einde is nu in zicht.
In het begin van de jaren 2000 had ASML, in samenwerking met de firma Cymer uit San Diego en de Duitse laserfirma Trumpf, iets van een Rube Goldberg-apparaat gebouwd. Er is een verwarmd vat dat tin in vloeibare toestand houdt. Het komt in een mondstuk dat een druppel gesmolten tin spuit - een derde van de diameter van een mensenhaar, zegt Danny Brown, de in Australië geboren vice-president technische ontwikkeling van het bedrijf - in het onderste deel van de machine, camerasystemen volgen zijn vooruitgang. Wanneer het het midden van de lichtproducerende kamer bereikt, treft een laserpuls de tindruppel. Gebrand in een uitbarsting die een temperatuur van ongeveer 500.000 K bereikt, produceert het tin een plasma dat gloeit met EUV-licht. Het mechanisme herhaalt dit proces, waarbij tindruppeltjes 50.000 keer per seconde worden afgeschoten en vernietigd.
Het is niet eenvoudig, laten we het zo zeggen, zegt Brown droogjes.
Hoewel ze nu EUV-licht konden genereren, ontdekten Brown en zijn team al snel nieuwe problemen. Ionen van de tinexplosies zouden de optiek verstoppen. Om dingen op te ruimen, realiseerden ze zich dat ze waterstof in de lichtkamer konden pompen, waar het zou reageren met de tin-ionen en ze zou helpen weg te scheppen.
Maar ze liepen snel achter op schema. Benschop had aanvankelijk voorspeld dat ze in 2006 veel EUV-machines zouden hebben. In werkelijkheid hadden ze dat jaar nog maar twee prototypes geproduceerd. De prototypes werkten en etsen patronen fijner dan welke lithografiemachine dan ook in de geschiedenis. Maar ze waren tergend langzaam. De lichtbron was nog te mager. In de lithografie is elk foton van belang; hoe dikker je ze kunt genereren, hoe sneller je een patroon op silicium kunt plaatsen.
Ondertussen groeide de machine tot ongelooflijk complexe afmetingen. Het bevatte robotarmen die wafels bewogen, motoren die het dradenkruis - dat grote stuk glas dat het patroon vasthoudt - versnelden tot 32 keer de zwaartekracht van de aarde, en 100.000 onderdelen, 3.000 kabels, 40.000 bouten en twee kilometer slang. Erger nog, alles was met elkaar verbonden: als het ene onderdeel werkt, zou het ergens anders een probleem veroorzaken. Het bleek bijvoorbeeld dat de warmte van het EUV-licht de afmetingen van de spiegels microscopisch veranderde. Dat dwong Zeiss en ASML om sensoren te ontwikkelen die elke verandering zouden detecteren, waardoor software werd geactiveerd die de posities van de spiegels zou verschuiven met behulp van precisie-actuatoren.
Toen we het ene probleem hadden opgelost, gingen we verder met het volgende, zegt Benschop. Elke berg die je beklom, zag je de volgende berg die nog hoger was.
Veel waarnemers in de microchipindustrie, die ASML keer op keer achter op schema zagen lopen, dachten dat ze zouden falen.
Deze turbomoleculaire pompen verwijderen lucht en andere gassen om een vacuüm in de EUV-machine te creëren - cruciaal omdat EUV-licht door lucht wordt geabsorbeerd. De pompen draaien met 30.000 tpm en slaan afzonderlijke gasmoleculen één voor één uit.
CHRISTOPHER PAYNEVijfennegentig procent van het slimme geld dacht dat EUV nooit zou werken, zegt C.J. Muse, analist in de halfgeleiderindustrie bij Evercore.
Terwijl ASML het op EUV uithaalde, voerden zij en de rest van de industrie steeds ingewikkeldere trucs uit om de prestaties van diep UV-licht zo veel mogelijk uit te breiden, om meer transistors op chips te verpakken. Eén techniek, onderdompeling genaamd, hield in dat er een laag water over de chip werd aangebracht, waardoor inkomend licht werd gebroken en het in een strakker patroon kon worden gefocust.
Lithografie-ingenieurs ontwikkelden ook een techniek om meerdere keren patronen te maken en weg te snijden op een chiplaag - wat bekend staat als meervoudige patronen - om fijnere details te produceren. Samen duwden deze benaderingen chipcomponenten tot 20 nanometer.
Maar deze excentrieke innovaties maakten het maken van chips ook veel complexer. Onderdompeling vereiste het beheersen van de aanwezigheid van water in het delicate lithografieproces, geen gemakkelijke taak. En chipontwerpers vonden het lastig om hun ontwerpen te veranderen om met meerdere patronen te werken. Deep UV raakte bijna op - en iedereen wist het.
Tegen het midden van de jaren 2010 begon het er echter op te lijken dat EUV eindelijk te hulp zou komen. Brown en zijn team waren in de wetenschappelijke literatuur gedoken, op zoek naar manieren om meer uit elke tindruppel te halen. Als voormalig universitair onderzoeker die plasmafysica studeerde, stond hij binnen ASML bekend om zijn puntige wetenschappelijke kwesties; de CTO gaf hem voor de grap een plaquette met de woorden Wetenschappelijk nauwkeurig maar praktisch nutteloos.
Maar deze keer wierp het onderdompelen in de wetenschappelijke literatuur zijn vruchten af. Het stelde het concept voor om elke tinnen druppel twee keer met de laser te raken. Een eerste ontploffing zou de druppel plat maken tot een pannenkoekvorm, waardoor een tweede ontploffing - miljoensten van een seconde later - veel meer EUV zou kunnen produceren. Het team van Brown bedacht een manier om dit op grote schaal te doen.
Andere ontdekkingen kwamen door een gelukkig toeval. Naarmate hun vermogen om tin op te offeren verbeterde, produceerde het proces meer afval dan de waterstof kon opruimen. Spiegelprestaties waren vernederend. Op een dag merkten ze iets grappigs op: de spiegels gingen niet zo snel achteruit nadat de machine was geopend voor onderhoud. Het bleek dat zuurstof in de lucht die binnenkwam, de besmetting hielp omkeren. ASML heeft af en toe kleine hoeveelheden zuurstof in het ontwerp ingebouwd.
Halverwege 2017 had het bedrijf eindelijk een werkende demo die chips etste in een industrievriendelijk tempo: 125 wafers per uur. Vanuit zijn kantoor in San Diego bekeek Brown de demo in Nederland. Hij was opgetogen; hij had een Hawaïaans shirt aangetrokken en verkondigde dat hij eindelijk op vakantie zou kunnen gaan.
Dit ding was als zzzt zzzt zzzt zzzt , herinnert hij zich, terwijl hij de snelheid nabootst van het dradenkruis dat ronddraait en de robotarm die ongeveer elke 30 seconden in een nieuwe wafer glijdt. Het was de laatste dominosteen die in feite zei: 'Ja, EUV-lithografie zal gebeuren.'
Dat jaar begon ASML eindelijk met het verzenden van machines die een revolutie teweeg zouden brengen in het maken van chips. Toen de markt eenmaal besefte dat ASML het monopolie had op de geavanceerde tools, begon de voorraad te stijgen en bereikte $ 549 en maakte de marktkapitalisatie van het bedrijf bijna zo groot als die van Intel.
Als je een gearhead bent zoals ik, is de machine echt prachtig om te zien - een wonder van techniek. Toen ik Wilton bezocht, liepen ze met me mee om een enorm blok gefreesd aluminium te bekijken dat het bovenste deel van het apparaat vormt. Het is acht voet lang, zes voet breed en twee voet dik. Het glinstert als het chassis van een ruimteschip, houdt het glazen richtkruis vast en er zijn ook enorme, tonvormige moleculaire pompen op gemonteerd. Elke pomp bevat kleine bladen die met 30.000 tpm draaien en alle gassen uit de machine zuigen om binnenin een vacuüm te creëren. Ze slaan de moleculen van het gas een voor een uit de weg, vertelde Whelan me.
Je zou kunnen stellen dat het grootste succes van ASML niet zozeer is gelegen in het maken van machines, maar in het meten ervan. Toen ik mijn konijnenpak uittrok, bezocht ik de machinewerkplaats, waar enorme brokken glas werden gesneden voor het dradenkruis. Nadat elk stuk glas is gefreesd, wordt het op machines geplaatst die het gedurende enkele weken geleidelijk gedurende honderden uren gladstrijken. Zoals machinewerkplaatsmanager Guido Capolino me vertelde, meten ze altijd het glas om te zien hoeveel onvolkomenheden er worden verwijderd, te beginnen met grove microns. Hij gebaarde naar een polijstmachine achter ons, waar stukjes glas langzaam ronddraaiden op een brij van natte polijstmix.
Deze experimentele opstelling op tafel in de ASML-fabriek in San Diego wordt gebruikt om druppelgeneratorassemblages te testen - een deel van de lichtbron van de EUV-machine.
De spiegels in de lithografiemachine kunnen tinresten van de EUV-lichtbron ophopen. Nadat de spiegels zijn schoongemaakt en gepolijst, wordt deze machine gebruikt om ze te onderzoeken.
CHRISTOPHER PAYNEWe zitten op angstroms en nanometers voor de variabiliteit hier, zei hij. Het gebruik van glas in het dradenkruis is cruciaal; het vervormt niet zo veel onder hitte als metaal. Maar het is duivels moeilijk om te snijden - nog een ander probleem dat de ingenieurs langzaam moesten oplossen.
ASML's succes met EUV heeft het bedrijf diep respect gewonnen in de microchipindustrie. Chris Mack, een veteraan van vier decennia op het gebied van chiplithografie, is momenteel de chief technology officer van Fractilia, een bedrijf dat software maakt voor het maken van chips. Hij zegt dat de reden waarom ASML en zijn partners erin slaagden - waar anderen het nooit eens durfden te proberen - pure, hardnekkige volharding is.
Ze hebben de ui gepeld, vertelde hij me. Zij gaan, Oh, nu heb ik de volgende laag. En dan trekken ze die laag eruit. En dan weet niemand echt of het in de kern verrot is of dat het goed zal zijn. Ze blijven het maar schillen. En tot hun verdienste, ze gaven gewoon nooit op.
Nu ze de mogelijkheid hebben om steeds kleinere componenten te maken , kunnen grote bedrijven als Intel en TSMC en Samsung steeds snellere en meer energiebesparende chips bouwen.
Onze ontwerpers kunnen opgelucht ademhalen, zegt Sam Sivakumar van Intel. De wet van Moore leeft.
Naarmate er meer EUV-machines online komen en hun kosten dalen, zal de technologie doorsijpelen naar een toenemend aantal alledaagse apparaten. De enige plaats die niet zal profiteren van de EUV-revolutie - althans op korte termijn - is China.
Een EUV-lichtbron bevindt zich in een testruimte in een cleanroom van ASML.
Bezorgd dat China een technologische bedreiging vormt, hebben zowel de regeringen Trump als Biden Nederland met succes onder druk gezet om te voorkomen dat ASML EUV-machines aan klanten daar verkoopt.
Kan China gewoon zijn eigen EUV-apparaten maken? Sommige waarnemers in de sector vermoeden van niet. Het succes van ASML met EUV vereiste een enorme samenwerking met overal gevestigde bedrijven, van Duitsland en de VS tot Japan (waardoor chemicaliën cruciaal zijn voor de lithografische maskers). China, dat relatief geïsoleerd is, maakt op zichzelf weinig kans, volgens Will Hunt, een analist bij het Centre for Security and Emerging Technology van de Georgetown University. Die kloof kan hij niet echt dichten, zegt hij.
Wat mogelijk is, suggereren andere waarnemers, is dat er gewoon een vertraging zal zijn in het vermogen van China om EUV-machines te kopen. Doorgaans werken Chinese chipmakers met tools van de laatste generatie die een stap achterlopen op wat wordt gebruikt door TSMC in Taiwan, Samsung in Korea of Intel in de VS, zegt C.J. Muse. Dus als ASML's eerste generatie EUV-machines wat ouder wordt - over een paar jaar - en de industrie overstapt op nieuwere modellen, mag China ze misschien kopen.
En eigenlijk werkt ASML al aan een verbeterde versie van het toestel. Het zal EUV-licht nog scherper kunnen focussen dankzij wat bekend staat als een hogere numerieke opening, waardoor het componenten kan etsen die minder dan 10 nanometer breed kunnen zijn. Deze EUV-machine met hoge NA zal grotere spiegels hebben, waardoor de hele machine ook groter moet worden. Intel is momenteel de eerste klant voor een van deze machines van de volgende generatie en verwacht de eerste chips die ermee zijn gebouwd tegen 2025 te verkopen.
ASML en de meeste waarnemers denken dat EUV de vooruitgang van chips zal helpen tot ten minste 2030, en mogelijk langer. Sommige van de trucs die chipontwerpers hebben ontwikkeld om diepe UV zo lang aan de gang te houden, zouden immers herhaalbaar moeten zijn met EUV.
Maar ergens in de komende tien jaar zal de wens van de chipindustrie om functies te verkleinen, botsen op een aantal fysieke beperkingen die nog moeilijker zijn dan de beperkingen die ze momenteel hebben overwonnen. Om te beginnen beginnen zich kwantumproblemen voor te doen. Dat hebben ze inderdaad al: chipmakers die de EUV-machines van ASML gebruiken, moeten worstelen met stochastische fouten - stralen van EUV-licht gaan natuurlijk op een dwaalspoor en produceren onjuiste patronen op chips. Dit zijn nog geen show-stop-problemen, maar ze zullen meer en meer wenkbrauwen fronsen naarmate kleinere chipmakers gaan.
Ervan uitgaande dat een hoge NA de wet van Moore tot 2030 houdt, wat zal het dan overnemen? Experts uit de industrie denken dat ASML zal doorgaan met het verkennen van apparaten met nog hogere numerieke diafragma's, waardoor ze EUV kunnen concentreren op kleinere en kleinere punten. Tegelijkertijd onderzoeken chipontwerpers strategieën voor het verbeteren van chips die niet zo afhankelijk zijn van verdere miniaturisering, zoals het uitbreiden van architecturen naar boven en het inbouwen in de derde dimensie door chiplagen te stapelen. Over welke lithografietechnologie na EUV zou kunnen komen, weet nog niemand. Intel's Sivakumar zou niet speculeren; Mack zei dat buiten EUV met een hoge NA niets anders intensief wordt ontwikkeld.
In de cleanroom van Wilton gaf Whelan me een kijkje in hun EUV-machine met hoge NA. Hij rolde een enorme garagedeur op en leidde me naar een enorme nieuwe cleanroom ter grootte van een voetbalveld. In de hoek stond een glanzend aluminium dradenkruisbed. Het was net als degene die ik had gezien voor de originele EUV-machine, maar het paste niet langer comfortabel in een woonkamer; het was bijna zo groot als een metro en woog maar liefst 17 ton. Ze moesten kranen in het dak plaatsen om het te verplaatsen.
Dus dit, zei Whelan, wordt de machine die ons helpt om de wet van Moore in de toekomst te blijven pushen.
Correctie: in een eerdere versie van dit artikel stond dat er meer dan 1.000 EUV-machines zijn geïnstalleerd. In werkelijkheid zijn het er meer dan 100.
Clive Thompson is een wetenschaps- en technologiejournalist gevestigd in New York City en auteur van: Coders: het maken van een nieuwe stam en het opnieuw maken van de wereld.