MIT Technology Review ha incontrato il CTO uscente Martin van den Brink per parlare dell’ascesa dell’azienda verso il dominio e della vita e della morte della Legge di Moore.
di Mat Honan e James O’Donnell
In un lunedì mattina uggioso a San Jose, in California, presso l’uggioso San Jose Convention Center, i partecipanti alla SPIE Advanced Lithography and Patterning Conference si sono riversati nella sala da ballo principale fino a quando non sono stati occupati tutti i posti a sedere e la folla ha iniziato ad allinearsi alle pareti lungo il fondo e i lati della sala. Il convegno riunisce persone che lavorano nell’industria dei chip da tutto il mondo. E in questa fresca mattina di febbraio, si erano riuniti per ascoltare i luminari dell’industria tecnologica esaltare il compianto Gordon Moore, cofondatore e primo CEO di Intel.
Craig Barrett, anche lui ex CEO di Intel, ha reso omaggio, così come il leggendario ingegnere Burn-Jeng Lin, pioniere della litografia a immersione, una tecnologia di modellazione che ha permesso all’industria dei chip di continuare a progredire circa 20 anni fa. La maggior parte dei discorsi tendeva a riflettere su Moore stesso, testimoniando il suo genio, i suoi successi e la sua umanità. Ma l’ultimo oratore della mattinata, Martin van den Brink, ha assunto un tono diverso, più simile a un giro di vittoria che a un elogio. Van den Brink è il co-presidente uscente e CTO di ASML, l’azienda olandese che produce le macchine che a loro volta consentono ai produttori di produrre i chip per computer più avanzati al mondo.
La legge di Moore stabilisce che il numero di transistor su un circuito integrato raddoppia ogni due anni circa. In sostanza, significa che i produttori di chip cercano sempre di ridurre i transistor su un microchip per poterne inserire di più. Questa cadenza è sempre più difficile da mantenere ora che le dimensioni dei transistor si misurano in pochi nanometri. Negli ultimi anni le macchine di ASML hanno impedito che la Legge di Moore si esaurisse. Oggi sono le uniche al mondo in grado di produrre circuiti alla densità necessaria per mantenere i produttori di chip più o meno in linea. È la premessa stessa della Legge di Moore, ha detto van den Brink, che spinge il settore ad andare avanti, anno dopo anno.
Per dimostrare quanto sia stato importante mantenere la Legge di Moore da quando è entrato in ASML nel 1984, van den Brink ha fatto riferimento al problema del riso e della scacchiera, in cui il numero di chicchi di riso – un proxy dei transistor – viene raddoppiato su ogni casella successiva. La crescita esponenziale del numero di transistor che possono essere stipati su un chip dal 1959 significa che un singolo chicco di riso di allora è diventato l’equivalente di tre petroliere oceaniche, ciascuna lunga 240 metri, piene di riso. È un sacco di riso! Eppure la Legge di Moore costringe l’azienda, e tutta l’industria tecnologica, a continuare a spingersi in avanti. Ogni era dell’informatica, e più recentemente dell’intelligenza artificiale, ha comportato un aumento delle richieste, ha spiegato van den Brink. In altre parole, mentre tre autocisterne piene di riso possono sembrare tante, domani ne serviranno sei. Poi 12. Poi 24. E così via.
La tecnologia di ASML, ha assicurato all’assemblea, sarà in grado di soddisfare le richieste, grazie agli investimenti dell’azienda nella creazione di strumenti in grado di realizzare caratteristiche sempre più fini: le macchine per litografia a ultravioletti estremi (EUV) che ha lanciato ampiamente nel 2017, le macchine EUV ad alta apertura numerica (high-NA) che sta lanciando ora e le macchine EUV hyper-NA che ha abbozzato per il futuro.
Il tributo è stato pensato per Gordon Moore, ma alla fine della presentazione di van den Brink l’intera sala si è alzata per tributargli una standing ovation. Perché se a Gordon Moore va il merito di aver creato la legge che ha guidato il progresso dell’industria, come dice van den Brink, lui stesso e ASML meritano gran parte del merito per aver garantito che il progresso rimanga possibile.
Ma questo significa anche che la pressione è alta. ASML deve cercare di stare al passo con le esigenze della Legge di Moore. Deve continuare a garantire che i produttori di chip possano continuare a raddoppiare la quantità di riso sulla scacchiera. Sarà possibile? Van den Brink si è incontrato con MIT Technology Review per parlare della storia di ASML, della sua eredità e del futuro.
Scommettere su una lunghezza d’onda ingombrante
ASML è un leader così indiscusso nell’attuale ecosistema dei chip che è difficile credere che il dominio del mercato dell’azienda risalga solo al 2017, quando la sua macchina EUV, dopo 17 anni di sviluppo, ha sconvolto il processo convenzionale di produzione dei chip.
Dagli anni ’60, la fotolitografia ha reso possibile confezionare chip per computer con un numero sempre maggiore di componenti. Il processo prevede la creazione di piccoli circuiti guidando fasci di luce attraverso una serie di specchi e lenti e poi facendo brillare la luce su una maschera, che contiene un modello. La luce trasporta il progetto del chip, strato dopo strato, costruendo alla fine i circuiti che costituiscono i mattoni computazionali di ogni cosa, dagli smartphone all’intelligenza artificiale.
I fotolitografi hanno a disposizione una serie limitata di strumenti per realizzare progetti di piccole dimensioni e, per decenni, il tipo di luce utilizzata nella macchina è stato il fattore più critico. Negli anni ’60, le macchine utilizzavano fasci di luce visibile. I tratti più piccoli che questa luce poteva disegnare sul chip erano piuttosto grandi, un po’ come se si usasse un pennarello per disegnare un ritratto.
Poi i produttori hanno iniziato a utilizzare lunghezze d’onda di luce sempre più piccole e all’inizio degli anni ’80 erano in grado di produrre chip con luce ultravioletta. Nikon e Canon erano i leader del settore. ASML, fondata nel 1984 come filiale di Philips a Eindhoven, nei Paesi Bassi, era solo una piccola realtà.
Come racconta van den Brink, è arrivato in azienda quasi per caso. Philips era una delle poche aziende tecnologiche in Olanda. Quando iniziò la sua carriera nel 1984 e stava esaminando le varie opportunità offerte dall’azienda, rimase incuriosito da una foto di una macchina litografica.
“Ho guardato l’immagine e ho detto: ‘Ha una meccanica, un’ottica, un software: sembra una macchina complessa’. Mi interesserà”, ha dichiarato van den Brink a MIT Technology Review. Hanno risposto: “Beh, potete farlo, ma l’azienda non farà parte di Philips. Stiamo creando una joint venture con ASM International e dopo la joint venture non farete parte di Philips”. Ho detto di sì perché non me ne poteva fregare di meno. Ed è così che è iniziata”.
Quando van den Brink è entrato in azienda negli anni ’80, ben poco di ASML la distingueva dagli altri principali operatori di litografia dell’epoca. “Non abbiamo venduto una quantità sostanziale di sistemi fino agli anni ’90. E abbiamo rischiato di fallire diverse volte in quel periodo”, racconta van den Brink. “Per noi la missione era una sola: sopravvivere e dimostrare ai clienti che potevamo fare la differenza”.
Nel 1995, l’azienda aveva una posizione sufficientemente forte nel settore contro i concorrenti Nikon e Canon da poter essere quotata in borsa. Ma tutti i produttori di litografia stavano combattendo la stessa battaglia per creare componenti più piccoli sui chip.
Se aveste potuto origliare una riunione di ASML alla fine degli anni ’90 su questo problema, avreste potuto sentire parlare di un’idea chiamata litografia a ultravioletti estremi (EUV) – assieme alle preoccupazioni che non avrebbe mai funzionato. A quel punto, con la pressione per condensare i chip oltre le capacità attuali, sembrava che tutti stessero inseguendo l’EUV. L’idea era quella di modellare i chip con una lunghezza d’onda della luce ancora più piccola (in definitiva solo 13,5 nanometri). Per farlo, ASML avrebbe dovuto capire come creare, catturare e focalizzare questa luce – processi che hanno lasciato perplessi i ricercatori per decenni – e costruire una catena di approvvigionamento di materiali specializzati, tra cui gli specchi più morbidi mai prodotti. E assicurarsi che il prezzo non allontanasse i clienti.
Anche Canon e Nikon stavano perseguendo l’EUV, ma il governo degli Stati Uniti ha negato loro la licenza per partecipare al consorzio di aziende e laboratori nazionali statunitensi che lo stavano studiando. Entrambe si sono poi ritirate. Nel frattempo, nel 2001, ASML ha acquisito la quarta grande azienda che stava perseguendo l’EUV, SVG. Nel 2006 aveva spedito solo due prototipi di macchine EUV a strutture di ricerca e ci è voluto fino al 2010 per spedirne una a un cliente. Cinque anni dopo, ASML ha avvertito nella sua relazione annuale che le vendite di EUV rimanevano basse, che i clienti non erano desiderosi di adottare la tecnologia a causa della sua lentezza sulla linea di produzione e che se la situazione fosse continuata, avrebbe potuto avere effetti “materiali” sull’azienda, visti i notevoli investimenti.
Tuttavia, nel 2017, dopo un investimento di 6,5 miliardi di dollari in R&S per 17 anni, la scommessa di ASML ha iniziato a dare i suoi frutti. Quell’anno l’azienda ha spedito 10 delle sue macchine EUV, che costano più di 100 milioni di dollari l’una, e ha annunciato che altre decine erano in backorder. Le macchine EUV sono andate ai titani della produzione di semiconduttori – Intel, Samsung e Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) – e a un piccolo numero di altri. Grazie a una fonte di luce più luminosa (che significa meno tempo necessario per imprimere i modelli) e ad altri miglioramenti, le macchine erano in grado di raggiungere velocità di produzione più elevate. Il passaggio all’EUV ha finalmente avuto un senso economico per i produttori di chip, ponendo ASML essenzialmente in una posizione di monopolio.
Chris Miller, professore di storia alla Tufts University e autore di Chip War: The Fight for the World’s Most Critical Technology, sostiene che ASML era culturalmente attrezzata per portare a termine questi esperimenti. “Si tratta di una volontà ostinata di investire in una tecnologia che la maggior parte delle persone pensava non avrebbe funzionato”, ha dichiarato al MIT Technology Review. “Nessun altro scommetteva sull’EUV, perché il processo di sviluppo era così lungo e costoso. Si tratta di superare i limiti della fisica, dell’ingegneria e della chimica”.
Un fattore chiave della crescita di ASML è stato il controllo della catena di fornitura. ASML ha acquisito alcune delle aziende su cui fa affidamento, come Cymer, un produttore di sorgenti luminose. Questa strategia di controllo mirato del potere nella catena di fornitura si è estesa anche ai clienti di ASML. Nel 2012, l’azienda ha offerto azioni ai suoi tre maggiori clienti, che sono stati in grado di mantenere una propria posizione dominante sul mercato in parte grazie alla potenza produttiva d’élite delle macchine di ASML.
“Il nostro successo dipende dal loro successo”, ha dichiarato van den Brink a MIT Technology Review.
È anche una prova della posizione dominante di ASML il fatto che, per la maggior parte, non le sia più permesso di vendere i suoi sistemi più avanzati ai clienti in Cina. Sebbene ASML continui a operare in Cina, nel 2019, in seguito alle pressioni dell’amministrazione Trump, il governo olandese ha iniziato a imporre restrizioni sulle esportazioni di macchine EUV di ASML in Cina. Tali regole sono state ulteriormente inasprite l’anno scorso e ora impongono limiti anche ad alcune macchine a raggi ultravioletti profondi (DUV) dell’azienda, utilizzate per produrre chip meno avanzati rispetto ai sistemi EUV.
Van den Brink afferma che il modo in cui i leader mondiali discutono oggi di litografia era inimmaginabile quando l’azienda è nata: “Il nostro primo ministro era seduto di fronte a Xi Jinping, non perché venisse dall’Olanda – chi se ne frega dell’Olanda. Era lì perché stiamo producendo EUV”.
Pochi anni dopo la consegna delle prime macchine EUV, ASML avrebbe dovuto affrontare il suo secondo sconvolgimento. Verso l’inizio della pandemia, l’interesse e i progressi nel campo dell’intelligenza artificiale fecero salire alle stelle la domanda di potenza di calcolo. Aziende come OpenAI necessitavano di chip per computer sempre più potenti e alla fine del 2022 la frenesia e gli investimenti nell’IA cominciarono a esplodere.
A quel punto, ASML si stava avvicinando alla sua più recente innovazione. Avendo già adottato una lunghezza d’onda della luce più piccola (e riallineato ad essa l’intero settore dei semiconduttori), ora rivolgeva la sua attenzione all’altra leva del suo controllo: l’apertura numerica. È la misura della quantità di luce che un sistema è in grado di concentrare e, se ASML riuscisse ad aumentarla, le sue macchine potrebbero stampare componenti ancora più piccoli.
Ciò ha comportato una miriade di cambiamenti. ASML ha dovuto rifornirsi di una serie ancora più ampia di specchi dal suo fornitore Carl Zeiss, che dovevano essere resi ultra-lisci. Zeiss ha dovuto costruire macchine completamente nuove, il cui unico scopo era quello di misurare la scorrevolezza degli specchi destinati ad ASML. L’obiettivo era quello di ridurre il numero di costose ripercussioni che il cambiamento avrebbe avuto sul resto della catena di fornitura, come le aziende che producono reticoli contenenti i progetti dei chip.
Nel dicembre del 2023, ASML ha iniziato a spedire il primo dispositivo EUV di nuova generazione, una macchina high-NA, allo stabilimento Intel di Hillsboro, Oregon. Si tratta di una versione per la ricerca e lo sviluppo, e per ora è l’unica sul campo. Ci sono voluti sette aerei e 50 camion per raggiungere lo stabilimento di Intel e l’installazione della macchina, più grande di un autobus a due piani, richiederà sei mesi.
Le macchine ad alta tecnologia saranno necessarie solo per produrre gli strati più precisi di chip avanzati per l’industria; i progetti di molti altri saranno ancora stampati utilizzando la precedente generazione di macchine EUV o le vecchie macchine DUV.
ASML ha ricevuto ordini per macchine high-NA da tutti i suoi attuali clienti EUV. Non sono a buon mercato: il costo è stimato in 380 milioni di dollari. Intel è stato il primo cliente a colpire, ordinando la prima macchina disponibile all’inizio del 2022. L’azienda, che ha perso una quota di mercato significativa a favore della concorrente TSMC, scommette che la nuova tecnologia le darà un nuovo punto d’appoggio nel settore, anche se alla fine anche altri produttori di chip vi avranno accesso.
“Ci sono ovvi vantaggi per Intel per essere stata la prima”, afferma Miller. “Ma ci sono anche ovvi rischi”. Secondo Miller, la scelta dei chip per i quali utilizzare queste macchine e il modo in cui trarne profitto saranno una sfida per l’azienda.
Il lancio di queste macchine, in caso di successo, potrebbe essere considerato il coronamento della carriera di van den Brink. Ma egli sta già pensando a ciò che verrà dopo.
Il futuro
La prossima grande idea di ASML, secondo van den Brink e altri dirigenti dell’azienda che hanno parlato con MIT Technology Review, è la tecnologia hyper-NA. Le macchine high-NA dell’azienda hanno un’apertura numerica di 0,55. Gli strumenti hyper-NA avrebbero un’apertura numerica superiore a 0,7. In ultima analisi, ciò significa che l’hyper-NA, se avrà successo, consentirà all’azienda di creare macchine che permetteranno ai produttori di ridurre ulteriormente le dimensioni dei transistor, a patto che i ricercatori riescano a ideare componenti per chip che funzionino bene con dimensioni così ridotte. Come per l’EUV nei primi anni 2000, non è ancora certo che l’hyper-NA sia fattibile: se non altro, potrebbe essere proibitivo dal punto di vista dei costi. Tuttavia, van den Brink si mostra cautamente fiducioso. È probabile, dice, che alla fine l’azienda avrà tre offerte disponibili: low-NA, high-NA e, se tutto va bene, hyper-NA.
“L’hyper-NA è un po’ più rischioso”, afferma van den Brink. “In futuro saremo più cauti e più attenti ai costi. Ma se riusciamo a farcela, abbiamo un trio vincente che si occupa di tutta la produzione avanzata per il prossimo futuro”.
Tuttavia, sebbene oggi tutti puntino su ASML per continuare a spingere il settore in avanti, si ipotizza che un concorrente possa emergere dalla Cina. Van den Brink ha respinto questa possibilità, citando il divario esistente persino nella litografia di ultima generazione.
“SMEE sta producendo macchine DUV, o almeno sostiene di poterlo fare“, ha dichiarato a MIT Technology Review, riferendosi a un’azienda che produce il predecessore della tecnologia litografica EUV, e ha sottolineato che ASML detiene ancora la quota di mercato dominante. Le pressioni politiche potrebbero significare ulteriori progressi per la Cina. Ma arrivare al livello di complessità della suite di macchine di ASML, con bassa, alta e iper NA, è un’altra questione, dice: “Mi sento abbastanza sicuro che ci vorrà molto tempo prima che possano copiarla”.
Miller, della Tufts University, è fiducioso che le aziende cinesi alla fine svilupperanno questo tipo di tecnologie da sole, ma concorda sul fatto che la questione è quando. “Se sarà tra un decennio, sarà troppo tardi”, afferma.
La vera domanda, forse, non è chi produrrà le macchine, ma se la Legge di Moore resterà in vigore. Jensen Huang, CEO di Nvidia, l‘ha già dichiarata morta. Ma quando gli è stato chiesto cosa pensava che avrebbe potuto far sì che la Legge di Moore si bloccasse definitivamente, van den Brink ha respinto completamente la premessa.
“Non c’è motivo di credere che tutto questo si fermerà. Non vi dirò mai dove finirà”, ha detto. “Finirà quando avremo esaurito le idee per cui il valore che creiamo con tutto questo non sarà in equilibrio con il costo che richiederà. Allora finirà. E non per mancanza di idee”.
Aveva assunto una posizione simile durante il suo tributo a Moore alla conferenza SPIE, ostentando sicurezza. “Non sono sicuro di chi farà la presentazione tra 10 anni”, ha detto, tornando alla sua analogia con il riso. “Ma i miei successori”, ha affermato, “avranno ancora l’opportunità di riempire la scacchiera”.
