Najdokładniejsza maszyna świata ma absurdalny problem. O co tu chodzi?

ASML zbudowało maszynę, która potrafi drukować na krzemie struktury znacznie mniejsze, niż poprzednia generacja EUV. Kosztuje około 400 mln dol., waży około 150 ton i jest jednym z najbardziej skomplikowanych urządzeń przemysłowych na świecie. Ma jednak jeden, bardzo zaskakujący problem. Okazuje się, że największe procesory do sztucznej inteligencji zwyczajnie nie mieszczą się w jej pojedynczym polu ekspozycji. ASML i TSMC właśnie ogłosiły plan, który ma to naprawić. Potrzebne będą dwa razy większe fotomaski.

Najnowsza platforma ASML nazywa się High-NA EUV. Skrót NA oznacza tutaj aperturę numeryczną, czyli w uproszczeniu zdolność układu optycznego do zbierania światła i rozróżniania bardzo drobnych szczegółów.

W obecnych maszynach EUV serii NXE apertura wynosi 0,33. W High-NA wzrosła do 0,55. Dzięki temu TWINSCAN EXE:5000 osiąga rozdzielczość około 8 nm i pozwala w pojedynczej ekspozycji drukować elementy około 1,7 raza mniejsze niż wcześniejsze skanery. ASML wylicza, że w odpowiednich warunkach może to oznaczać nawet 2,9 raza większą gęstość tranzystorów. Na Spider’s Web opisywaliśmy już, jak absurdalnie skomplikowane są maszyny ASML i dlaczego bez nich praktycznie nie istnieje najnowocześniejszy przemysł półprzewodników.

Lepsza rozdzielczość przyszła jednak z kosztem. I to naprawdę olbrzymim. High-NA może podczas jednej ekspozycji objąć tylko około połowę powierzchni dostępnej w obecnych maszynach EUV. Standardowe NXE naświetlają pole o wymiarach do około 26 x 33 mm, czyli około 858 mm². High-NA wykorzystujące dzisiejsze 6-calowe fotomaski ma pole około 26 x 16,5 mm, czyli mniej więcej 429 mm². Dla procesora laptopowego może to nie być jakaś wielka tragedia. Dla ogromnego akceleratora AI już tak.

Największe układy dla centrów danych należą do najbardziej rozrośniętych monolitycznych chipów produkowanych na świecie. Nvidia, Google i inni projektanci wykorzystują właściwie całą powierzchnię, którą dzisiejsze narzędzia litograficzne są w stanie odwzorować podczas jednej ekspozycji.

Reuters podaje, że obecne EUV pozwala drukować układy o powierzchni około 800 mm² i producenci chipów AI faktycznie dochodzą już do tej granicy. To nie jest w żadnym razie przypadek. W procesorze przeznaczonym do trenowania modeli AI liczą się tysiące jednostek obliczeniowych, ogromne pamięci podręczne, interfejsy komunikacyjne i możliwość przesyłania gigantycznych ilości danych. Każdy dodatkowy fragment krzemu może oznaczać kolejne tranzystory i większą wydajność.

High-NA daje możliwość zmniejszania samych struktur, ale obecna konstrukcja optyczna zabiera połowę maksymalnego pola. Najbardziej zaawansowana maszyna ASML stała się więc paradoksalnie mniej wygodna właśnie dla największych i najdroższych chipów, które w przyszłości powinny najbardziej korzystać z jej precyzji.

Problem wynika tak naprawdę przede wszystkim ze sposobu, w jaki ASML osiągnęło aperturę 0,55. W litografii EUV wzór pojedynczej warstwy procesora znajduje się na fotomasce, nazywanej również reticle. Światło EUV odbija się od niej, a następnie przechodzi przez niezwykle złożony zestaw luster, który pomniejsza obraz i rzutuje go na światłoczułą powierzchnię wafla krzemowego. W klasycznych maszynach obraz zmniejszany jest 4-krotnie w obu kierunkach.

Przy High-NA potrzebne są większe lustra. Żeby zachować standardowe 6-calowe maski i jednocześnie uniknąć problemów z optyką, ASML wraz z Zeissem zastosowało układ anamorfotyczny. To rozwiązanie podobne koncepcyjnie do obiektywów używanych kiedyś w kinie do zapisywania szerokiego obrazu na węższej klatce filmu. High-NA zmniejsza obraz 4-krotnie w jednym kierunku i 8-krotnie w drugim. W efekcie obocznym jeden z wymiarów pola na waflu zostaje przecięty na pół.

Duży procesor nie staje się przez to całkowicie niemożliwy do wyprodukowania. Branża od dawna rozwija tzw. field stitching. Maszyna naświetla jedną część układu, następnie drugą, a oba obrazy muszą zostać połączone na waflu z ekstremalną precyzją. Im mniejsze są drukowane elementy, tym mniej miejsca pozostaje na pomyłkę.

Imec i ASML demonstracyjnie pracowały nad takim zszywaniem jeszcze przed uruchomieniem High-NA. Technicznie jest ono możliwe, ale komplikuje projekt układu i sam proces produkcji. Dochodzi dodatkowa ekspozycja, problem idealnego wyrównania obu fragmentów i ograniczenia dotyczące tego, gdzie przez chip może przebiegać granica pomiędzy polami.

Przy produkcji milionów kosztownych procesorów wszystko, co zmniejsza przepustowość albo zwiększa ryzyko defektu, bardzo szybko zamienia się w gigantyczne pieniądze. Dlatego ASML i TSMC doszły do wniosku, że zamiast przez lata coraz lepiej zszywać za małe obrazki, można po prostu powiększyć oryginał.

7 września ASML i TSMC powołały inicjatywę mającą przygotować branżę do przejścia na 12-calowe fotomaski. Dzisiejszy standard to około 6 cali. Podwojenie rozmiaru maski ma pozwolić układowi anamorfotycznemu High-NA znowu odwzorowywać pełne pole odpowiadające mniej więcej temu, co oferują obecne maszyny EUV. W efekcie można będzie w pojedynczym polu zmieścić wielki procesor dla centrum danych bez konieczności jego zszywania z dwóch osobnych ekspozycji.

Nie chodzi jednak po prostu o wymianę jednego kawałka szkła na większy. Wokół 6-calowych fotomasek powstał tak naprawdę cały przemysł: urządzenia do ich produkcji, nanoszenia wzoru, kontroli defektów, czyszczenia, transportu i przechowywania. Nowy format wymaga przebudowania znacznej części tego ekosystemu. Dlatego ASML i TSMC szukają partnerów wśród producentów półprzewodników, masek oraz specjalistycznego wyposażenia.

Skalę całego przedsięwięcia najlepiej pokazuje sam harmonogram. Pierwsza pilotażowa linia dla 12-calowych masek ma być gotowa około 2031 r. Cały system litograficzny przygotowany do wielkoseryjnej produkcji ma osiągnąć gotowość około 2033 r. To nie oznacza, że High-NA będzie do tego czasu stało bezczynnie.

Intel już teraz używa nowych maszyn ASML przy wybranych warstwach procesorów Core Ultra Series 3, znanych jako Panther Lake. Firma poinformowała właśnie, że przez jej procesy związane z High-NA przeszło już ponad milion wafli, licząc testy, rozwój procesu i produkcję. TSMC zapowiada wykorzystanie High-NA w produkcji zaawansowanych układów od 2030 r. Samsung oraz SK Hynix planują wcześniej zastosować tę technologię przy pamięciach DRAM.

Na początku wszystkie te firmy będą korzystać z obecnych 6-calowych masek. Duży format ma wejść później i usunąć ograniczenie, które dzisiaj jest szczególnie bolesne dla wielkich procesorów AI.

ASML widzi tu również ogromną korzyść ekonomiczną. Marco Pieters, dyrektor technologiczny firmy, ocenia, że po pełnym przejściu na większe maski produktywność systemów może wzrosnąć nawet o około 40 proc.

W przypadku urządzenia kosztującego 350-400 mln dol. każda minuta ma znaczenie. Fabryka musi przepuścić przez nie wystarczająco dużo wafli, żeby inwestycja miała ekonomiczny sens.

Przeczytaj także:

High-NA samo w sobie ma oszczędzać czas dzięki możliwości wykonywania w jednej ekspozycji wzorów, które na starszych maszynach wymagałyby kilku etapów litografii. Jeżeli jednak przy dużym układzie trzeba później wykonywać 2 osobne pola i precyzyjnie je zszywać, część tej przewagi znika. 12-calowa maska ma ją odzyskać.

Skala znaczenia ASML dla boomu na AI jest już dziś widoczna choćby po tym, że producenci pamięci rozbudowują fabryki i kupują kolejne maszyny EUV praktycznie tak szybko, jak holenderska firma jest w stanie je dostarczać.

*Źródło grafiki wprowadzającej: KENGKAT, Getty Images, Canva Pro