У США был шанс стать лидером в области технологий производства микросхем, но они его упустили

Это была стратегическая ошибка эпического масштаба. США сыграли решающую роль в разработке полупроводниковой технологии, которая лежит в основе сегодняшней революции в области искусственного интеллекта. Тем не менее, именно голландская фирма сейчас владеет монополией на этот процесс, а азиатские производители доминируют в производстве.

Установки для экстремальной ультрафиолетовой литографии – это, пожалуй, самые значимые электронные устройства в мире на данный момент. Их появление позволило собирать невероятно мощные чипы, проложив путь к созданию нового поколения инструментов ИИ. Огромные и многоуровневые вычисления, выполняемые платформами ИИ, такими как ChatGPT от OpenAI и Gemini от Google, ускоряют множество задач, обычно выполняемых человеком. Поэтому доступ к технологии фотолитографии в глубоком ультрафиолете (Extreme ultraviolet lithography, EUV) стал вопросом национальной экономической безопасности для США и Китая.

Проблема для Вашингтона и Пекина заключается в том, что EUV-машины производит только одна компания: ASML Holding NV. Каждое устройство размером с автобус и стоит более 200 миллионов долларов за штуку. К настоящему моменту поставлено более 200 штук, благодаря чему ASML превратилась в самую ценную технологическую компанию Европы с рыночной капитализацией более 350 миллиардов долларов.

Как США допустили, что контроль над этой важнейшей технологией был утерян? Отчасти причина в том, что относительно немногие руководители отрасли считали, что EUV вообще имеет смысл. Другая причина: неверные расчеты крупнейшего в мире производителя микросхем Intel Corp.

Все ближе к размеру атома

Кремниевые чипы состоят из транзисторов – по сути, ряда затворов и переключателей, которые являются физическим воплощением современных вычислений.

Чтобы сделать компьютеры более мощными, инженеры, занимающиеся разработкой полупроводников, постоянно стремятся сделать транзисторы меньше. Первые из них, изобретенные в середине прошлого века, были длиной около сантиметра. Сейчас их размеры составляют всего несколько нанометров, или несколько миллиардных долей метра.

В первые несколько десятилетий производства микросхем видимый свет использовался для выжигания рисунков на кремнии для создания транзисторов – процесс, известный как литография, – прежде чем промышленность перешла на ультрафиолетовый свет. В 1980-х годах ученые задумались о том, как можно довести производство микросхем до масштабов, близких к размеру атома, что необходимо для поддержания темпов инноваций. Исследователи из Bell Labs, расположенной в Нью-Джерси, начали изучать технологию экстремального ультрафиолетового излучения, за ними последовали три национальные лаборатории Министерства энергетики: Лоуренса Ливермора, Лоуренса Беркли и Сандийские национальные лаборатории. В итоге Министерство энергетики выделило на эти исследования десятки миллионов долларов.

Достигнув прогресса в разработке некоторых технических элементов, эти организации поняли, что для вывода технологии на рынок необходима поддержка промышленности. В 1997 году было создано государственно-частное партнерство под названием EUV LLC, в состав которого вошли американские компании Intel, Advanced Micro Devices Inc. и Motorola Inc. В конечном итоге в него вошли производители литографического оборудования Silicon Valley Group Inc. и ASML, которые также участвовали в аналогичном исследовательском консорциуме по вопросам развития технологии EUV в Европе.

В то время крупнейшими игроками в области литографии были японские компании Nikon Corp. и Canon Inc., и Япония казалась самой большой угрозой доминированию США в производстве микросхем. Поэтому Вашингтон не захотел давать азиатской стране преимущество в гонке за новой технологией, а поддержал усилия Silicon Valley Group и ASML. Голландская компания полностью посвятила себя разработке EUV-систем и провела последующие годы, пытаясь раскрыть ее потенциал. В 2001 году ASML заплатила 1,1 миллиарда долларов за покупку Silicon Valley Group, в результате чего в гонке осталась только одна фигура. В то время компания ожидала, что EUV станет коммерчески жизнеспособной к 2006 году.

Техническая проблема

Такой прогноз оказался слишком оптимистичным. Технология чрезвычайно сложна. Она включает в себя воздействие мощным лазером на капли олова 50 000 раз в секунду, в результате чего образуется плазма, порождающая EUV-излучение. Поскольку такой свет не встречается на Земле в естественных условиях (фактически, он поглощается воздухом), процесс должен происходить в вакууме. Затем свет фокусируется рядом зеркал, отражаясь от прицельной сетки. Это рисунок на стекле или зеркале, который блокирует и поглощает некоторое количество света (название происходит от перекрестия прицела на прицеле пистолета) и при этом создает рисунок схем, которые должны быть выгравированы на чипе.

Из-за масштаба, в котором работают эти устройства, зеркала, изготовленные немецкой компанией Zeiss, должны быть абсолютно гладкими. Самые серьезные дефекты достигают высоты одного атома. ASML утверждает, что если зеркало увеличить до размеров страны, то самая высокая неровность будет высотой всего 1 миллиметр. Кроме того, обработка расплавленного олова с помощью лазера – грязное занятие. Требуется регулярная очистка, а значит, много времени уходит на обслуживание. Из-за этого трудно представить, насколько экономичными могут быть такие машины: чтобы оправдать миллиарды долларов, потраченные на их строительство, предприятия по производству полупроводников должны работать практически 24 часа в сутки, семь дней в неделю.

Только в 2012 году индустрия начала осознавать, что технология действительно может быть осуществима. И для этого все еще требовался большой приток капитала. Поэтому ASML обратилась к своим крупнейшим клиентам: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. инвестировала 1,4 миллиарда долларов, Samsung Electronics Co. вложила 974 миллиона долларов, а Intel выделила целых 4,1 миллиарда долларов. Эти три производителя микросхем владели примерно четвертью акций ASML.

Схема сработала, и к 2018 году ASML начала поставлять EUV-машины в достаточно большом количестве. Несмотря на то, что большая часть первых разработок производилась в США, а Intel была крупнейшим промышленным спонсором ASML, ни одно из первых поколений машин не досталось Intel.

Это не был выбор ASML. Это был выбор Intel. Занимавший тогда пост генерального директора Брайан Кржанич не был уверен, что технология может работать в экономически выгодных масштабах. Он поставил на то, что сможет заставить работать существующую технологию до тех пор, пока не будут решены проблемы EUV-литографии. У него были веские причины так полагать: Intel постоянно опережала своих коллег, внедряя передовые технологии производства чипов.

Но это оказалось ошибкой. TSMC, использующая технологию EUV, впервые обогнала Intel по технологическим показателям примерно в 2018 году. Тайваньская компания занимается так называемым литейным производством, когда клиенты, включая Apple, Nvidia и AMD, разрабатывают свои собственные чипы, а затем заключают с TSMC контракт на их производство.

Тем временем Intel изо всех сил пыталась обеспечить надежную работу своего альтернативного литографии подхода "множественного шаблонирования". К тому времени, когда Intel отладила процесс до такой степени, что он стал эффективным в больших масштабах, TSMC и Samsung уже производили еще более совершенные полупроводники.

Соперничество с Китаем

Для США это имело более серьезные последствия, поскольку TSMC также поставляла свою продукцию китайским компаниям, таким как Huawei Technologies Co, к которым администрации Дональда Трампа и Джо Байдена относились с подозрением. Чипы, изготовленные по технологии EUV, поставлялись в смартфоны Huawei начиная с 2019 года. Таким образом, технология, которая частично финансировалась из американского капитала и для которой часть базовых исследований проводилась в американских лабораториях, могла принести пользу главному геополитическому сопернику.

Если Китай сможет либо производить, либо покупать самые передовые чипы, это поможет ему внедрить ИИ не только в промышленности, но и, возможно, в военной сфере. Несмотря на значительный технологический потенциал, Китай по-прежнему вынужден импортировать большую часть необходимых ему полупроводников. Обеспечение собственных мощностей EUV стало приоритетной задачей.

Начиная с начала десятилетия, США убеждали правительство Нидерландов не допустить продажи компанией ASML каких-либо устройств в Китай. Пока эти усилия оказались успешными: Китай до сих пор не располагает EUV-установками.

Следующий шаг Intel

Тем временем Intel все еще страдает от своего просчета.

"Мы предприняли множество шагов, чтобы избежать необходимости использования EUV-оборудования, и, как вы видите, это привело к недостаткам в мощности, производительности, площади и стоимости", – заявил в апреле Пэт Гелсингер, который занял пост генерального директора Intel в 2021 году.

Фондовый рынок наглядно демонстрирует масштаб ошибки. В 2012 году, когда Intel инвестировала в ASML, ее рыночная капитализация была в 15 раз больше, чем у Nvidia, и почти вдвое больше, чем у TSMC. Сейчас она в разы меньше, чем у обеих компаний: Intel оценивается в $164 млрд, TSMC – в $650 млрд, а Nvidia – в $2,2 трлн. Во многом это связано с отсутствием у Intel доступа к EUV-технологии.

Гелсингер стремится не повторить ошибку своего предшественника. Intel поддерживает следующее поколение EUV: High Numerical Aperture. Этот подход использует новые оптические системы для фокусировки света в еще более мелкую точку, и компания уже установила первую опытную модель на заводе в Орегоне.