Автор: TilekSamiev. Сегодня основой экономики являются микрочипы. Почти во всех электронных устройствах присутствует по крайней мере один полупроводниковый чип: от автомобилей и мобильных телефонов до стиральных машин и самолётов. Большая часть мирового ВВП производится устройствами, использующими полупроводники. Из-за своей повсеместной распространённости и полезности они также являются стратегически важными: США и Китай стремятся контролировать поставки и получить преимущество одного над другим.

Существует несколько основных компаний-производителей микрочипов. Есть Samsung в Южной Корее, TSMC на Тайване, Huawei в Китае, а также Intel и Texas Instruments в США. Все они производят чипы на собственных фабриках. Но машины, которые они используют для производства, производятся в основном одной компанией — голландской Advanced Semiconductor Materials Lithography (ASML).

Технология, которая делает возможным производство всех передовых чипов называется литографией в крайнем ультрафиолете (EUV). Одна EUV-машина стоит более 200 миллионов долларов. Она опирается на цепочку поставок, состоящую из более чем 800 других компаний, на доставку сотен тысяч деталей со всего мира. Многие из этих компаний существуют только благодаря одному клиенту – ASML.

Сложность как технологии, так и цепочки поставок даёт ASML сильное конкурентное преимущество. Время и затраты, которые потребуются конкуренту для воспроизведения всего процесса изготовления одной машины EUV-литографии, создают очень высокие барьеры для входа. На протяжении многих лет ASML позиционировала себя как практически единственного поставщика этой передовой технологии, которая произвела революцию в массовом производстве чипов. И поэтому в течение следующих нескольких десятилетий ASML сохранит свою монополию.

Магическая технология

Независимо от того, говорим ли мы о TSMC, NVIDIA, Intel, AMD или любом другом технологическом гиганте, производящем собственные кремниевые чипы, они следуют одному и тому же алгоритму. Все эти производители чипов используют большой лист кремния, называемый пластиной, который изготавливается с использованием особого вида песка. Эти пластины нарезаются тонкими слоями на мелкие куски, которые затем упаковываются и программируются в соответствии со сценариями использования.

Технология, которую используют для нарезки пластины на куски/фрамены, называется ультрафиолетовой литографией. Существуют различные виды литографии, которые различаются тем, насколько мелко или тонко нарезается пластина. Разрешающая способность (в мкм и нм) этого оборудования (т. н. проектные нормы) и определяет название применяемого конкретного технологического процесса.

Чем тоньше окажутся кусочки пластины, которые сможет вырезать производитель микросхем, тем быстрее и эффективнее будет процессор. Вот почему производители микросхем всегда пытаются разработать более простой и точный процесс изготовления чипов.

Существует технология разрезания пластин, называемая литографией глубокого ультрафиолета или DUV, но это более старый и менее эффективный способ, чем EUV. ASML имеет здесь некоторую конкуренцию со стороны таких компаний, как Canon и Nikon, но даже в таких условиях занимает более 60% рынка. Конкуренты всё ещё используют старый процесс литографии DUV, тогда как ASML продаёт более эффективный EUV и в настоящее время уже разрабатывает процесс High-NA-EUV. Он позволит производителям микросхем производить 2-нм процессоры, что станет важной вехой в производстве чипов.

Хотя DUV является устаревшей и малоэффективной методологией по сравнению с EUV, она по-прежнему настолько сложна, что китайцы до сих пор не могут провести реверс-инжиниринг должным образом. И тем более маловероятно, что они смогут воспроизвести технологию EUV в ближайшее время, даже если им каким-то образом удастся заполучить одну из машин ASML.

Все основные производители чипов, включая Intel, NVIDIA и TSMC, вынуждены покупать эти машины ASML, потому что у них попросту нет выбора. Тайваньская TSMC имеет особое соглашение с ASML, поскольку они покупали их оборудование задолго до Intel, Samsung и других крупных производителей микросхем. Из-за этого TSMC и компании, использовавшие их чипы, имеют небольшое преимущество перед конкурентами.

Соединенные Штаты относительно недавно включились в глобальную торговлю кремнием – они практически купили себе место в отрасли, позволив TSMC и Intel открывать заводы в США с высокими субсидиями и налоговыми льготами. Причина, по которой США сейчас хотят доминировать в мировой кремниевой промышленности, заключается в Китае.

Запад, в основном США, пытался вводить всевозможные правила и торговые эмбарго в отношении таких стран, как Япония и Нидерланды, главным образом для того, чтобы китайцы не имели доступа к технологии EUV и, как следствие, к следующему поколению чипов и электронного оборудования. Это также причина, по которой США пытаются уговорить Нидерланды ввести санкции против ASML и помешать им вести дела с Китаем. ASML приостановили свои отношения с Китаем и не продают им новую технику EUV, но продолжают поставлять им комплектующие для технологии DUV.

EUV-литография ASML достойна звания самой сложной машины в мире. Каждое устройство содержит более 100 000 компонентов, полученных от специализированных поставщиков. Практически каждый этап работы машины включает в себя технологические процессы, неотличимые для непрофессионала от волшебства.

Эти невоспроизводимые чудеса инженерной мысли являются результатом десятилетий проб и ошибок, научных прорывов, запутанных цепочек поставок и миллиардов долларов. Они неповторимы и поэтому настолько ценны. Без технологии EUV было бы невозможно производство самых мощных кремниевых чипов в мире – тех самых, которые способствуют нынешнему буму искусственного интеллекта. Короче говоря, траектория развития вычислительной техники сосредоточена в руках компании практически со 100% монополией на определённый вид технологии.

Но ASML производит только 15% компонентов машин EUV самостоятельно. Секрет фирмы заключается в её способности координировать обширные цепочки поставок производителей и объединять их продукцию в единое целое. В некоторых случаях ASML напрямую приобретает своих поставщиков, что дает ему больший контроль над цепочкой поставок.

Люди видят лишь малую часть электромагнитного спектра – от 400 до 700 нм. Крошечная полоска отвечает за все цвета нашей жизни. По обе стороны этой полоски находятся обширные зоны, недоступные нашему восприятию. Существует внутренняя область длинных волн за видимым красным, состоящая из инфракрасного излучения, микроволн и радио. Другую сторону занимает коротковолновое излучение. После фиолетового идут ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Некоторые животные могут видеть эти длины волн: например, пустельга, которая может следовать за семейством полёвок по ультрафиолетовому сиянию их мочи.

И главной причиной нынешнего доминирования ASML является то, что он, по сути, повелитель ультрафиолета.

EUV

Исторически сложилось так, что для создания узоров на чипах использовали видимый спектр излучения. Длины волн от 400 до 700 нанометров было достаточно для изготовления транзисторов с затворами выше 1000 нанометров на протяжении большей части 1980-х годов. Однако по мере того, как индустрия стремилась втиснуть всё больше и больше транзисторов в один чип, увеличивая их мощность, фотолитографы столкнулись с фундаментальным ограничением: видимый свет уже не справлялся.

Для создания «субмикронных» транзисторов — размером менее 1000 нанометров — нужен был более «тонкий» и «острый» инструмент. К 1990-м годам Nikon, Canon и ASML, вышли за пределы видимой области и перешли на территорию «глубокого ультрафиолета» (DUV), длина волны которого составляла всего 193 нанометра. Учитывая действие закона Мура, производители понимали, что вскоре DUV тоже станет недостаточно сильным.

Так началось движение во внешние бесплодные земли электромагнитного спектра. На границе ультрафиолета и рентгеновских лучей находится тонкая территория «крайнего ультрафиолета» с длиной волны всего в 13,5 нанометров. EUV примерно в 14 раз «острее», чем DUV, и в 30 раз, чем видимый свет. Разница между видимым спектром, DUV, EUV это как разница между линиями, нарисованными толстым маркером, ярким роллером или тонким карандашом.

Работа над EUV заняла большую часть 2000-х и 2010-х годов. Хотя Nikon и Canon также вложили средства в коммерциализацию этой технологии, в полной мере это удалось только ASML.

EUV не встречается на нашей планете в естественной среде, а это означало, что придётся его создать. Один из способов получить это — превратить олово в горячую плазму. В этом состоянии плазма излучает EUV-свет.

Превратить олово в плазму не так-то просто, нужно поднять его температуру до 500 000 градусов по Цельсию. Даже в таком состоянии собрать достаточно EUV-света для фотолитографии сложно. ASML использует прецизионный лазер, разработанный совместно со специализированным поставщиком Trumpf.

Trumpf потребовалось десятилетие и значительные расходы, чтобы создать подходящий лазер для ASML. Лазер должен быть не только чрезвычайно мощным, он должен быть быстрым и точным, способным поразить крошечный оловянный шарик, движущийся в вакууме со скоростью 300 км/ч. Внутри машины EUV каждую секунду через камеру в её основании падает 50 000 капель расплавленного олова. Пара лазеров поражает каждую каплю, создавая плазму, которая, в свою очередь, излучает свет нужной длины волны.

Создание EUV недостаточно; также необходимо понять, как им управлять. Это особенно сложно, поскольку EUV поглощается практически всем. Поэтому внутри машин ASML работает «высокий вакуум», предназначенный для сохранения этих излучений.

Хотя «высокий вакуум» не позволяет потерять созданный EUV, это не помогает управлять им. Чтобы решить эту проблему, ASML обратилась к Zeiss Group, производителю «оптических систем» — от очков до микроскопов. Опираясь на инвестиции ASML в 1 миллиард долларов в 2016 году, компания Zeiss создала «самый гладкий объект, когда-либо созданный в мире» — зеркало, состоящее из 100 слоев кремния и молибдена — каждый толщиной всего несколько нанометров. Дюжина таких зеркал отшлифованы так, что если масштабировать одно из них до размеров Германии, самые крупные дефекты зеркала будут составлять всего лишь десятую долю миллиметра.

Машины ASML используют несколько зеркал Zeiss, предназначенных для направления EUV-света на кремниевую пластину. Сложное программное обеспечение и другие важные компоненты гарантируют, что свет, попадающий на кремний, будет проходить по правильной схеме, а это ещё один сложный процесс. Машины ASML могут позиционировать каждую пластину с точностью до четверти нанометра, а за одну секунду выполняется до 20 000 микроскопических корректировок и проверок. Если на диск попадёт хотя бы одна пылинка, вся партия, на обработку которой уходят месяцы, может быть испорчена. А на сборку и доставку одной установки для работы с EUV может уйти год.

Короче говоря, машина похожа на сверхточного робота, который рисует картины в нм масштабе. Картины представляют собой эскизы микрочипов, которые такие компании как TSMC, производят для своих клиентов. С помощью своего программного обеспечения инженеры TSMC указывают машине, какой тип индивидуальных схем им нужен, чтобы удовлетворить потребности крупных потребителей своей продукции: Apple и Tesla.

Когда инженер запускает машину, более миллиона строк кода обрабатывают команды и переводят их в электрические сигналы, которые запускают излучение EUV-света внутри системы. EUV-свет отправляется на сканер для выравнивания, чтобы он проецировался на пластину и печатал нужную схему. Это одна из самых сложных задач, которые когда-либо придумывались человечеством.

Учитывая сложность машин EUV ASML, неудивительно, что их эксплуатация требует значительного опыта. В некоторых случаях требуется степень доктора технических наук, а также интенсивная эксплуатационная подготовка. Технические специалисты ASML обычно сопровождают машины до места назначения – транзит, в котором участвуют 20 грузовиков, 40 грузовых контейнеров, а также три самолёта Боинг 747. Техник остаётся на месте в течение всего срока службы машины, устраняя проблемы и настраивая производительность. В прошлом году компания поставила всего 400 машин из 50 моделей с наивысшими техническими характеристиками.

Доминирование ASML

Компания ASML была основана в Эйндховене 1984 году в результате совместного предприятия компании Philips, производящей электронику, и компании Advanced Semiconductor Materials International (ASMI), производителя чип-машин.

Велдховен, где ныне расположена фабрика ASML

В течение года ASML выпустила свою первую машину, опираясь на исследования ещё 1970-х годов. В 1986 году дебютировала следующая итерация. Несмотря на свою производительность, подразделение испытывало финансовые трудности, требуя частых вливаний капитала. Эти инвестиции становились всё более важными по мере того, как ASML расширяла своё присутствие, внедряясь в США и устанавливая связи на Тайване.

К 1995 году фирма имела достаточно прочную основу для IPO, разместив акции на фондовых биржах Амстердама и Нью-Йорка. Это позволило корпорации привлечь капитал для стимулирования роста и инвестиций в исследования и разработки. В последующие годы Philips полностью продаст свою долю, что сделает ASML по-настоящему независимой организацией.

Хотя IPO ASML было признаком легитимности компании, оно отставало от лидеров рынка. В 1995 году Nikon и Canon владели 66% рынка по сравнению с долей голландской компании в 18%. Мало кто ожидал, что ASML обгонит две большие литографии.

2000-е годы стали золотым веком для ASML, поскольку они разработали свои машины TWINSCAN, которые позволяли экспонировать одну пластину, а также измерять и выравнивать следующую. Это стало важной вехой в технологической зрелости ASML, поскольку обеспечило повышение производительности, которое было невозможно до разработки машин TWINSCAN. В конце 2000-х годов были сделаны более продвинутые технологические усовершенствования благодаря более точному лазеру.

В 2010 году компания поставила первую систему EUV (NXE:3100), в которой для рисования и проектирования использовалась более короткая длина волны. Это означало ещё один рост производительности, поскольку можно было производить чипы меньшего размера.

К 2020 году ASML перешла на крупносерийное производство. По состоянию на февраль 2023 года доход компании достиг 235,4 миллиарда евро, что сделало ASML самой дорогой европейской компанией по рыночной капитализации.

Рост и успех ASML является следствием операционного превосходства, стратегических преимуществ, технологических инноваций и некоторой удачи. История ASML настолько богата событиями, что голландский журналист Рене Рааймейкерс написал книгу ASML’s Architects объёмом более 600 страниц только о периоде между 1960-ми и серединой 1990-х годов.

Стратегическое расположение

Хотя Нидерланды и далёки от технологического развития Кремниевой долины, Пекина или Токио, страна, тем не менее, оказалась стратегически важным местом для ASML. В битве за превосходство в области чипов между США и Японией в 1980-х и 1990-х годах, а также между США и Китаем сегодня, Нидерланды стали золотой серединой.

При прочих равных условиях американские компании предпочли бы передать свой литографический бизнес отечественным компаниям. Однако в 1980-х годах американские компании GCA и Perkin-Elmer, уступили свой контроль над рынком Nikon и Canon. В результате американские фирмы встали перед выбором между финансированием азиатских гигантов, которые напрямую конкурировали с ними, или европейского ноунейма. Как и следовало ожидать, американцы выбрали «европейца». Особое значение имела компания Micron, производитель микросхем памяти «DRAM». В 1987 году Micron была последней американской фирмой, устоявшей на рынке, которая сотрудничала с ASML.

Исследования ASML, полученные от лабораторий США, были даже более ценными, чем доходы, полученные от американских фирм. В 1990-х годах Intel инвестировала значительные средства в исследования EUV, субсидируя национальные лаборатории. Результаты, полученные в Ливерморской и Сандийской лабораториях, в конечном итоге были переданы ASML после того, как Intel поняла, что ни одна американская фирма не может эффективно коммерциализировать эти открытия. Nikon и Canon не смогли получить эти знания, что фактически лишило их возможности участвовать в EUV-революции. Современная технология EUV основана на открытиях, сделанных в Америке, но усовершенствованных в Европе.

Правильные связи

ASML извлекла выгоду из отношений не только с американскими клиентами и исследователями. Также важной была связь с Philips и ASM International. Как уже отмечалось, эти фирмы предоставили капитал, таланты и исследования, чтобы помочь новой компании сдвинуться с мёртвой точки.

Размер и влияние Philips принесли и другие выгоды. Когда в 1986 году Тайвань запустил новую инициативу в области полупроводников, голландская компания согласилась инвестировать 58 миллионов долларов, став первым внешним акционером TSMC. Что особенно важно, голландская фирма согласилась стать клиентом литейного завода и поделиться своим опытом. В своей хронике ASML Рааймейкерс отмечает, что Philips проводила тренинги для сотрудников TSMC, направляя свою деятельность таким образом, чтобы она могла перенести производство в новый литейный завод. Когда пришло время приобретать литографические машины, ASML идеально подошла, учитывая наследие Philips и то, насколько аккуратно она синхронизировалась с TSMC.

Мастерство цепочки поставок

Компании стоимостью в триста миллиардов долларов не возникают просто так. Хотя ASML извлекала выгоду из своего нейтрального местоположения, внешнего IPO и стратегических связей, её успех во многом был достигнут ею самой. В частности, благодаря тому, что компания освоила сложную цепочку поставок.

Несмотря на правильные связи, ASML начала свою деятельность как организация с ограниченными ресурсами, особенно в контексте более широкого рынка полупроводников. Практически каждый этап процесса производства чипов требует чрезвычайно больших капиталовложений. Литография — не исключение.

Из-за нехватки капитала ASML осознала, что не сможет создать конкурентоспособную литографическую машину с нуля. Каждый компонент невероятно сложен и требует опыта и инвестиций. Вместо этого она решила положится на нескольких сторонних поставщиков, включая Zeiss Group, Trumpf, Cymer и многих других.

ASML делает всё возможное, чтобы защитить свою цепочку поставок, инвестируя в ключевых поставщиков, как это было сделано, предоставив Zeiss 1 миллиард долларов. В тех случаях, когда ASML беспокоится о надёжности определённого поставщика, она предпринимает шаги по его прямому приобретению. На протяжении многих лет ASML делала именно это с такими компаниями, как Cymer, Hermes Microvision, Brion Technologies, которых она купила для упрощения контроля над процессами.

Полупроводниковая промышленность находится в состоянии постоянных изменений, на которую влияют коммерческие, политические и технологические ветры. И три фактора будут определять судьбу ASML следующее десятилетие:

• Революция ИИ
• Напряжённость между США и Китаем
• Соблюдение закона Мура

Будущее после EUV

Итак, что же будет после EUV? ASML вкладывает значительные средства, чтобы ответить на этот вопрос. В 2021 году компания направила 2,5 миллиарда евро на исследования и разработки, а в следующем году увеличила инвестиции до 3,3 миллиарда евро. Несмотря на свою сложность, нынешние машины EUV считаются «базой». Ожидается, что в ближайшие три года ASML представит машины EUV с «высокой числовой апертурой», которые смогут обеспечивать ещё большую точность.

Человеческий капитал для бизнеса ASML также жизненно важен. Наглядно демонстрирует это тот факт, что компания недавно объявила о своем намерении инвестировать «несколько сотен миллионов евро» в строительство исследовательского института в партнёрстве с Эйндховенским техническим университетом. Центр будет оказывать поддержку 500 исследователям, занимающимся фотолитографией, мехатроникой, искусственным интеллектом и физикой плазмы. Инвестиции ASML также будут финансировать 40 новых аспирантов в год. Это попытка обеспечить компании доступ к постоянному притоку высококвалифицированных талантов.

В рамках своей попытки восстановить себя в качестве доминирующей силы в производстве микросхем Intel планирует инвестировать 95 миллиардов долларов в большую фабрику в Европе. Компания заключила сделку с ASML, чтобы сначала получить в свои руки машины EUV с большим числом устройств в надежде создать 2-нанометровые чипы — резкое сокращение по сравнению с 7-нанометровыми чипами, которые используются во многих смартфонах. Несколько других заинтересованных сторон, таких как TSMC, инвестируют в продвижение технологии 1– нанометровых чипов. В не столь отдалённом будущем чипы могут стать настолько маленькими, что нам потребуется новая единица измерения. И ни одна компания не сможет сыграть более важную роль в преодолении этого порога, чем ASML. Единственная компания, способная сделать свет ещё более тонким.