Μέσα σε ένα μεγάλο δωμάτιο στο Κονέκτικατ στις ΗΠΑ, μια ομάδα μηχανικών κατασκευάζουν ένα κρίσιμο εξάρτημα για μια μηχανή που υπόσχεται να δώσει νέα πνοή στην τεχνολογική βιομηχανία σε τροχιά, για τουλάχιστον άλλη μια δεκαετία.
Το μηχάνημα κατασκευάζεται από την ASML, μια ολλανδική εταιρεία που έχει κατακτήσει την αγορά με τα πιο μικροσκοπικά νανοσκοπικά χαρακτηριστικά σε μικροτσίπ.
Η ASML παρουσίασε τα πρώτα μηχανήματα λιθογραφίας ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας (EUV) για μαζική παραγωγή το 2017, μετά από δεκαετίες έρευνας και ανάπτυξη. Οι μηχανές αυτές επιτελούν κρίσιμο ρόλο στην κατασκευή μικροτσίπ και έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή των πιο πρόσφατων και προηγμένων τσιπ, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που βρίσκονται στα νέα iPhone καθώς και σε υπολογιστές που χρησιμοποιούνται για την τεχνητή νοημοσύνη. Το επόμενο σύστημα EUV της εταιρείας, μέρος του οποίου κατασκευάζεται στο Γουίλτον του Κονέκτικατ, θα χρησιμοποιεί ένα νέο τέχνασμα για να ελαχιστοποιήσει το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιεί, συρρικνώνοντας το μέγεθος των μικροτσίπ και ενισχύοντας τις επιδόσεις τους.
Η τρέχουσα γενιά μηχανών EUV είναι ήδη κάπως αλλοπρόσαλλη. Κάθε μία έχει περίπου το μέγεθος ενός λεωφορείου και κοστίζει 150 εκατομμύρια δολάρια. Περιέχει 100.000 εξαρτήματα και 2 χιλιόμετρα καλωδίου. Η αποστολή των εξαρτημάτων απαιτεί 40 εμπορευματοκιβώτια, τρία αεροπλάνα μεταφοράς φορτίου και 20 φορτηγά. Μόνο λίγες εταιρείες μπορούν να αντέξουν οικονομικά τέτοια μηχανήματα, και τα περισσότερα από αυτά πηγαίνουν στους τρεις μεγάλους κατασκευαστές τσιπ στον κόσμο: το κορυφαίο χυτήριο στον κόσμο, την TSMC με έδρα την Ταϊβάν, τη Samsung στη Νότια Κορέα, και την Intel.
«Πρόκειται πραγματικά για μια απίστευτη μηχανή», λέει ο Χεσούς ντελ Άλαμο, καθηγητής στο MIT που ασχολείται με νέες αρχιτεκτονικές τρανζίστορ. «Είναι ένα απολύτως επαναστατικό προϊόν, μια ανακάλυψη που θα δώσει νέα πνοή στη βιομηχανία για χρόνια».
Στο Κονέτικατ, ένα γιγάντιο κομμάτι αλουμινίου έχει σκαλιστεί σε ένα πλαίσιο που τελικά θα συγκρατεί μια μάσκα, ή «δικτυωτό», η οποία κινείται με ακρίβεια νανομέτρων ενώ αντανακλά μια δέσμη ακραίου υπεριώδους φωτός. Το φως πέφτει σε διάφορα κάτοπτρα που διαμορφώνονται και γυαλίζονται με εκπληκτική ακρίβεια, για να χαράξουν χαρακτηριστικά μεγέθους μόλις μερικών δεκάδων ατόμων σε μελλοντικά τσιπ υπολογιστών.
Το τελικό εξάρτημα θα αποσταλεί στο Veldhoven της Ολλανδίας μέχρι το τέλος του 2021 και στη συνέχεια θα προστεθεί στην πρώτη πρωτότυπη μηχανή EUV επόμενης γενιάς, μέχρι τις αρχές του 2022. Τα πρώτα τσιπ που θα κατασκευαστούν με τη χρήση των νέων συστημάτων μπορεί να τα κόψει η Intel, η οποία έχει δηλώσει ότι θα αποκτήσει τα πρώτα από αυτά, τα οποία αναμένονται μέχρι το 2023. Με μικρότερα χαρακτηριστικά από ποτέ, και με δεκάδες δισεκατομμύρια εξαρτήματα το καθένα, τα τσιπ που θα παράγει η μηχανή τα επόμενα χρόνια, θα πρέπει να είναι τα ταχύτερα και αποδοτικότερα στην ιστορία.
Η τελευταία μηχανή EUV της ASML υπόσχεται να διατηρήσει ζωντανή μια ιδέα που έχει γίνει σύμβολο της πορείας της προόδου – όχι μόνο στην κατασκευή τσιπ, αλλά και στην τεχνολογική βιομηχανία και την οικονομία γενικότερα.
Το 1965, ο Γκόρντον Μούρ, μηχανικός ηλεκτρονικών και ένας από τους ιδρυτές της Intel, έγραψε ένα άρθρο για το επετειακό τεύχος των 35 χρόνων του περιοδικού Electronics, στο οποίο ανέφερε ότι ο αριθμός των εξαρτημάτων σε ένα τσιπ πυριτίου διπλασιαζόταν κάθε χρόνο περίπου και προέβλεψε ότι η τάση αυτή θα συνεχιζόταν.
Μια δεκαετία αργότερα, ο Μουρ αναθεώρησε την εκτίμησή του σε δύο χρόνια αντί για ένα. Η πορεία του νόμου του έχει τεθεί υπό αμφισβήτηση τα τελευταία χρόνια, αν και οι νέες κατασκευαστικές ανακαλύψεις και οι καινοτομίες στον σχεδιασμό των τσιπ, φαίνεται να τον επιβεβαιώνουν.
Η EUV χρησιμοποιεί εξαιρετική μηχανική για να συρρικνώσει το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται για την κατασκευή τσιπ και θα βοηθήσει να συνεχιστεί αυτή η πορεία. Η τεχνολογία θα είναι ζωτικής σημασίας για την κατασκευή πιο προηγμένων smartphones και υπολογιστών cloud, καθώς και για βασικούς τομείς της αναδυόμενης τεχνολογίας, όπως η τεχνητή νοημοσύνη, η βιοτεχνολογία και η ρομποτική.
Εν μέσω της πρόσφατης έλλειψης τσιπ, που προκλήθηκε από τις οικονομικές επιπτώσεις της πανδημίας, τα προϊόντα της ASML αποτελούν κεντρικό θέμα μιας γεωπολιτικής διαμάχης μεταξύ των ΗΠΑ και της Κίνας, με την Ουάσινγκτον να θέτει ως ύψιστη προτεραιότητα τον αποκλεισμό της πρόσβασης της Κίνας στα μηχανήματα. Η κυβέρνηση των ΗΠΑ έχει ασκήσει με επιτυχία πιέσεις στις Ολλανδικές αρχές να μην χορηγήσουν τις άδειες εξαγωγής που απαιτούνται για την αποστολή των μηχανημάτων στην Κίνα, ενώ η ASML λέει ότι δεν έχει στείλει κανένα στη χώρα.
«Δεν μπορείτε να κατασκευάσετε τσιπ αιχμής χωρίς τα μηχανήματα της ASML», λέει ο Γουίλ Χαντ, ερευνητής-αναλυτής στο Πανεπιστήμιο Georgetown που μελετά τη γεωπολιτική της κατασκευής τσιπ. «Πολλά από αυτά προκύπτουν μετά από χρόνια πειραματισμών και είναι πολύ δύσκολο να έχεις πρόσβαση σε αυτά». Κάθε εξάρτημα που μπαίνει σε μια μηχανή EUV είναι «εκπληκτικά εξελιγμένο και εξαιρετικά πολύπλοκο», προσθέτει.
Η κατασκευή μικροτσίπ απαιτεί ήδη μερικά από τα πιο προηγμένα μηχανικά συστήματα που έχει δει ποτέ ο κόσμος. Ένα τσιπ ξεκινά τη ζωή του ως ένα κυλινδρικό κομμάτι κρυσταλλικού πυριτίου που κόβεται σε λεπτές πλάκες, οι οποίες στη συνέχεια επικαλύπτονται με στρώματα φωτοευαίσθητου υλικού και εκτίθενται επανειλημμένα σε μοτίβα φωτός. Τα μέρη του πυριτίου που δεν αγγίζονται από το φως στη συνέχεια χαράσσονται, ώστε να αποκαλυφθούν οι περίπλοκες λεπτομέρειες ενός τσιπ. Κάθε πλακίδιο στη συνέχεια τεμαχίζεται για να κατασκευαστούν πολλά μεμονωμένα τσιπ.
Η συρρίκνωση των εξαρτημάτων σε ένα τσιπ παραμένει ο ασφαλέστερος τρόπος για να αποσπαστεί περισσότερη υπολογιστική ισχύς από ένα κομμάτι πυριτίου, επειδή τα ηλεκτρόνια περνούν πιο αποτελεσματικά μέσα από μικρότερα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και η τοποθέτηση περισσότερων εξαρτημάτων σε ένα τσιπ, αυξάνει την υπολογιστική του ικανότητα.
Πολλές καινοτομίες επιβεβαιώνουν το νόμο του Μουρ, συμπεριλαμβανομένων νέων σχεδίων τσιπ και εξαρτημάτων. Φέτος τον Μάιο, για παράδειγμα, η IBM παρουσίασε ένα νέο είδος τρανζίστορ, τοποθετημένο σαν κορδέλα μέσα στο πυρίτιο, το οποίο θα επιτρέψει να τοποθετηθούν περισσότερα εξαρτήματα σε ένα τσιπ, χωρίς να συρρικνωθεί η ανάλυση της λιθογραφίας.
Ωστόσο η μείωση του μήκους κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται στην κατασκευή τσιπ, βοήθησε στην προώθηση της μικροσκοπικότητας και της προόδου από τη δεκαετία του 1960 και μετά, και είναι ζωτικής σημασίας για την επόμενη πρόοδο. Τα μηχανήματα που χρησιμοποιούν ορατό φως αντικαταστάθηκαν από εκείνα που χρησιμοποιούν σχεδόν υπεριώδες, τα οποία με τη σειρά τους έδωσαν τη θέση τους σε συστήματα που χρησιμοποιούν βαθύ υπεριώδες, προκειμένου να χαράζουν όλο και μικρότερα χαρακτηριστικά στα τσιπ.
Μια κοινοπραξία εταιρειών, μεταξύ των οποίων η Intel, η Motorola και η AMD, άρχισε να μελετά το EUV ως το επόμενο βήμα στη λιθογραφία τη δεκαετία του 1990. Η ASML προσχώρησε το 1999 και, ως κορυφαίος κατασκευαστής τεχνολογίας λιθογραφίας, προσπάθησε να αναπτύξει τα πρώτα μηχανήματα EUV. Η λιθογραφία ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας, ή εν συντομία EUV, επιτρέπει τη χρήση πολύ μικρότερου μήκους κύματος φωτός (13,5 νανόμετρα), σε σύγκριση με τη βαθιά υπεριώδη ακτινοβολία, την προηγούμενη μέθοδο λιθογραφίας (193 νανόμετρα).
Χρειάστηκαν όμως δεκαετίες για να διευθετηθούν οι τεχνικές προκλήσεις. Η παραγωγή του φωτός EUV είναι από μόνη της ένα μεγάλο πρόβλημα. Η μέθοδος της ASML περιλαμβάνει την κατεύθυνση λέιζερ υψηλής ισχύος σε σταγονίδια κασσίτερου 50.000 φορές ανά δευτερόλεπτο για τη δημιουργία φωτός υψηλής έντασης. Οι φακοί απορροφούν τις συχνότητες EUV, οπότε το σύστημα χρησιμοποιεί αντ’ αυτού, απίστευτα ακριβή κάτοπτρα επικαλυμμένα με ειδικά υλικά. Στο εσωτερικό του μηχανήματος της ASML, το φως EUV ανακλάται σε διάφορα κάτοπτρα πριν περάσει μέσα από το δικτυωτό, το οποίο κινείται με ακρίβεια νανοκλίμακας για να ευθυγραμμίσει τα στρώματα στο πυρίτιο.
«Για να σας πω την αλήθεια, κανείς δεν θέλει πραγματικά να χρησιμοποιήσει το EUV», λέει ο Ντέιβιντ Κάντερ, αναλυτής τσιπ της Real World Technologies. «Έχει αργήσει 20 χρόνια και έχει ξεπεράσει τον προϋπολογισμό κατά 10 φορές. Αλλά αν θέλετε να κατασκευάσετε πολύ πυκνές δομές, αυτό είναι το μόνο εργαλείο που έχετε».
Το νέο μηχάνημα της ASML εισάγει ένα πρόσθετο τέχνασμα για την παραγωγή μικρότερων χαρακτηριστικών σε ένα τσιπ: ένα μεγαλύτερο αριθμητικό άνοιγμα, το οποίο αυξάνει την ανάλυση της απεικόνισης επιτρέποντας στο φως να ταξιδέψει μέσα από τα οπτικά, σε διαφορετικές γωνίες. Αυτό απαιτεί σημαντικά μεγαλύτερα κάτοπτρα και νέο λογισμικό και υλικό για τον ακριβή έλεγχο των εξαρτημάτων. Η τρέχουσα γενιά μηχανών EUV της ASML μπορεί να δημιουργήσει τσιπ με ανάλυση 13 νανομέτρων. Η επόμενη γενιά θα χρησιμοποιεί High-NA για τη δημιουργία χαρακτηριστικών μεγέθους 8 νανομέτρων.
Η πιο γνωστή εταιρεία που χρησιμοποιεί σήμερα το EUV είναι η TSMC, της οποίας πελάτες είναι η Apple, η Nvidia και η Intel. Η Intel άργησε να υιοθετήσει το EUV και ως εκ τούτου έμεινε πίσω από τους ανταγωνιστές της, εξ ου και η πρόσφατη απόφασή της να αναθέσει μέρος της παραγωγής της στην TSMC.
Η ASML δεν φαίνεται να πιστεύει ότι η πρόοδος που χτίστηκε πάνω στις μηχανές της θα επιβραδυνθεί.
«Δεν μου αρέσει να μιλάω για το τέλος του νόμου του Μουρ, αλλά για την ψευδαίσθηση του νόμου του Μουρ, λέει ο Μάρτιν βαν ντεν Μπρινκ, επικεφαλής τεχνολογίας της ASML.
Το άρθρο του Μουρ του 1965 ήταν στην πραγματικότητα περισσότερο επικεντρωμένο στην πορεία της καινοτομίας παρά στη συρρίκνωση, σημειώνει ο επικεφαλής της εταιρείας. Ενώ αναμένει ότι το High-NA EUV θα συνεχίσει να οδηγεί την πρόοδο στη βιομηχανία τσιπ για τουλάχιστον τα επόμενα 10 χρόνια, πιστεύει ότι η συρρίκνωση των χαρακτηριστικών των τσιπ με λιθογραφία, θα είναι λιγότερο σημαντική.
Ο ντεν Μπρινκ λέει ότι η ASML έχει ερευνήσει τους προτεινόμενους διαδόχους της EUV, συμπεριλαμβανομένης της λιθογραφίας με ηλεκτρονική δέσμη και της λιθογραφίας με νανοαποτύπωση, αλλά δεν έχει διαπιστώσει ότι κάποια από αυτές είναι αρκετά αξιόπιστη ώστε να δικαιολογεί σημαντικές επενδύσεις. Προβλέπει νέες μεθόδους επιτάχυνσης της απόδοσης των λιθογραφικών μηχανών, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμική σταθερότητα και τις φυσικές διαταραχές, οι οποίες θα βοηθήσουν στην αύξηση της απόδοσης. Ακόμη και αν τα τσιπ δεν γίνουν ταχύτερα, τα πιο προηγμένα, θα γίνουν φθηνότερα και θα χρησιμοποιούνται ευρύτερα.
Ο επικεφαλής πρόσθεσε ότι άλλα κατασκευαστικά τεχνάσματα, συμπεριλαμβανομένων των προσπαθειών για την κάθετη κατασκευή εξαρτημάτων σε ένα τσιπ -κάτι που η Intel και άλλοι έχουν ήδη αρχίσει να κάνουν- θα βελτιώσουν τις επιδόσεις. Σημειώνει ότι ο εκτελεστικός πρόεδρος της TSMC, Μαρκ Λίου, δήλωσε ότι αναμένει τριπλάσια βελτίωση της συνδυασμένης απόδοσης και αποδοτικότητας για τα επόμενα 20 χρόνια.
Η ζήτηση για ταχύτερα τσιπ δύσκολα θα μειωθεί. Ο Μαρκ Λάνστρομ, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Purdue, ο οποίος άρχισε να εργάζεται στη βιομηχανία τσιπ τη δεκαετία του 1970, έγραψε ένα άρθρο για το περιοδικό Science το 2003, όπου προέβλεπε ότι ο νόμος του Μουρ θα προσέκρουε σε φυσικά όρια μέσα σε μια δεκαετία.
«Στην καριέρα μου, πολλές φορές σκεφτήκαμε ότι είχε έρθει το τέλος τους», λέει. «Αλλά δεν υπάρχει κανένας απολύτως κίνδυνος ότι τα πράγματα θα επιβραδυνθούν σε 10 χρόνια. Απλώς θα πρέπει να το κάνουμε διαφορετικά».
Ο Λάνστρομ θυμάται ότι είχε επισκεφθεί το πρώτο του συνέδριο για τα μικροτσίπ το 1975. «Εκεί ήταν ένας τύπος ονόματι Γκόρντον Μουρ που έδινε μια ομιλία», λέει. «Ήταν πολύ γνωστός στην τεχνολογική κοινότητα, αλλά κανείς άλλος δεν τον ήξερε».
«Θυμάμαι την ομιλία που έδωσε», προσθέτει. «Σύντομα θα είμαστε σε θέση να τοποθετήσουμε 10.000 τρανζίστορ σε ένα τσιπ. Τι θα μπορούσε κανείς να κάνει με 10.000 τρανζίστορ σε ένα τσιπ, είχε αναρωτηθεί στην ομιλία του ο Μουρ».
ΠΗΓΗ: Wired
www.ertnews.gr
Εύη Τσιριγωτάκη