L’era dell’intelligenza artificiale richiede chip sempre più veloci. ASML detiene il monopolio sui costosi dispositivi necessari per la loro produzione. Qualcuno riuscirà a raggiungerla?
Jos Benschop sta salendo una scala per raggiungere la parte superiore della sua macchina più recente.
È un po’ una faticaccia. L’apparato ha le dimensioni di un autobus a due piani: oltre 150 tonnellate di alluminio luccicante lavorato con precisione, ricoperto da migliaia di tubi sinuosi, cavi colorati e serbatoi pressurizzati. Da terra sembra un motore V8 futuristico. Quando raggiungo la cima con Benschop, guardiamo giù da circa 15 piedi di altezza, con tecnici in tute protettive che si affrettano sotto di noi.
Sono più di 200 metri cubi di tecnologia — «dispositivi meccatronici che mantengono alcuni specchi in posizione con precisione atomica», dice, indicando con un gesto l’apparato gigantesco. Benschop, un uomo alto e dai capelli brizzolati di 66 anni, ha trascorso oltre un decennio a lavorare con i suoi ingegneri per progettare questo aggeggio, ma nonostante ciò, a volte lo guarda e esclama: «Oh mio Dio».
Benschop è il vicepresidente esecutivo della divisione tecnologia di ASML, un’azienda olandese che rappresenta il fulcro dell’industria dei microchip. Se si vogliono realizzare chip potenti per alimentare telefoni o sistemi di intelligenza artificiale, una macchina litografica come quella su cui ci troviamo è ciò che serve per creare circuiti sempre più minuscoli. La litografia è l’arte e la scienza di proiettare luce su un wafer di silicio per delineare i transistor, i collegamenti e gli altri componenti dei microchip che ne verranno ricavati.
Il settore della produzione di chip è essenzialmente controllato da due soli grandi attori: ASML, che produce le macchine litografiche, e TSMC, il colosso della produzione di chip.
Nove anni fa, ASML ha iniziato a commercializzare macchine che utilizzano un nuovo e audace metodo per la realizzazione delle strutture dei chip. Queste macchine impiegano la luce ultravioletta estrema, o EUV — una radiazione ben al di fuori dello spettro visibile che producono sparando laser contro minuscole gocce di stagno fuso, decine di migliaia di volte al secondo. Quelle prime macchine — frutto di un progetto di ricerca e sviluppo ambizioso durato 16 anni e costato circa 10 miliardi di dollari — sono in grado di realizzare elementi dei transistor con una risoluzione di 13 nanometri. Questa nuova macchina fa ancora meglio: ha una risoluzione di soli otto nanometri, pari alla larghezza di circa 40 atomi di silicio. I dispositivi vengono ora spediti alle fabbriche di chip, o «fab», a un prezzo da capogiro: 400 milioni di dollari ciascuno.
Ma i produttori di chip sborseranno quella somma, perché sono impegnati in una corsa disperata per produrre chip nuovi e migliorati ogni anno. Ciò significa mettere le mani su macchine in grado di realizzare componenti sempre più piccoli e di raggrupparli in modo sempre più denso — parte di una ricetta consolidata per creare chip più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.
Da anni ormai, gli strumenti di ASML sono fondamentali per mantenere viva la Legge di Moore. Senza l’avanzata tecnologia di produzione di chip dell’azienda, è molto probabile che la densità dei chip — e la capacità di eseguire un numero sempre maggiore di calcoli — avrebbe raggiunto un plateau.
Il settore dell’intelligenza artificiale ha generato una nuova e vorace domanda di chip più densi, mentre aziende come OpenAI e Anthropic si affrettano a costruire parchi server per addestrare e implementare modelli nuovi e sempre più potenti, che richiedono hardware nuovo e sempre più potente. L’ultima macchina di ASML promette di contribuire a mantenere viva la festa dell’intelligenza artificiale per almeno un altro decennio.
«Possiamo consentire ai clienti di passare a caratteristiche sempre più piccole, e questo apre la strada a tutto ciò che vediamo oggi nell’IA, il che è assolutamente sbalorditivo», mi ha detto Marco Pieters, CTO di ASML. «Penso che abbiamo visto solo la punta dell’iceberg».
La sua incessante spinta verso lo “shrink” — come lo chiamano nel settore della produzione di chip — ha reso ASML una forza dominante: l’azienda produce circa il 90% di tutti gli strumenti di litografia per chip a livello mondiale. Se si producono chip, ASML è imprescindibile.
Ma questa posizione di monopolio mette a disagio alcune persone e alcuni governi. Il settore della produzione di chip è essenzialmente controllato da due soli grandi attori: ASML, che produce le macchine per la litografia, e TSMC, il colosso taiwanese della produzione di chip, che utilizza le macchine di ASML per realizzare la stragrande maggioranza di tutti i microchip. Questo duopolio è così potente da avere implicazioni geopolitiche. Nel tentativo di impedire alla Cina di sviluppare un’intelligenza artificiale avanzata, nel 2019 il governo statunitense ha esercitato pressioni sul governo olandese affinché imponesse un embargo: ad ASML non è consentito vendere macchine di fascia alta a nessuna azienda cinese. Dal punto di vista geopolitico, «i chip sono il nuovo petrolio», afferma Marc Hijink, autore di *Focus: The ASML Way*. Essere privati di essi può essere disastroso quanto essere privati del petrolio. E in questa metafora, si potrebbe dire, ASML è lo Stretto di Hormuz.
James Proud, cofondatore e amministratore delegato della startup di litografia Substrate, sostiene che la situazione non sia ideale. Gli Stati Uniti sono «pericolosamente dipendenti» da una catena di approvvigionamento estera e sempre più costosa, afferma Substrate sul proprio sito web. «C’è un’enorme concentrazione in un numero ristretto di operatori», dice Proud. «E la catena di approvvigionamento è semplicemente molto costosa».
Ecco perché, dopo due decenni di dominio di ASML, i potenziali concorrenti stanno ora puntando al suo territorio. La Cina sta investendo avidamente miliardi nel tentativo di replicare la tecnologia di ASML. E anche startup come Substrate stanno cercando di entrare in gioco, puntando a creare macchine litografiche più economiche, più piccole e persino più performanti dei colossi di ASML. Qualcuna di loro ci riuscirà? Il futuro prossimo appartiene chiaramente ad ASML, ma come ben sanno i suoi ingegneri, è possibile detronizzare un gigante con il giusto gioco di luce.
La produzione di chip è, stranamente, un po’ come la serigrafia su una maglietta. Per stampare un motivo su un wafer di silicio, si parte da un disegno su un reticolo, una maschera che riporta il disegno. Illuminando il reticolo con una luce, il motivo viene trasferito sul wafer. La luce interagisce con uno strato di sostanze chimiche sul wafer, fissando il motivo in posizione.
La dimensione delle caratteristiche di un chip è in parte determinata dalla lunghezza d’onda della luce utilizzata dalla macchina: più piccola è la lunghezza d’onda, più minuscoli sono i circuiti che si possono creare. È possibile estendere in una certa misura le capacità di una lunghezza d’onda; aumentando quella che viene chiamata apertura numerica — il che di solito significa sostituire l’obiettivo con uno più grande — si può focalizzare ulteriormente la luce e quindi tracciare motivi per componenti sempre più piccoli e . Alla fine, però, questo espediente raggiunge il suo limite ed è necessario trovare una nuova forma di luce con una lunghezza d’onda più corta.
La storia della produzione di chip è stata quindi una sorta di “danza in due tempi”. Il settore individua una buona fonte di luce, aumenta progressivamente l’apertura numerica e infine accetta la necessità di una lunghezza d’onda più corta, ricominciando da capo il ciclo. Fino ai primi anni ’90, i produttori di chip utilizzavano la luce visibile, con una lunghezza d’onda di circa 400 nanometri. A metà degli anni ’90 erano passati all’ultravioletto profondo, arrivando infine a una lunghezza d’onda di 193 nanometri. Verso la fine degli anni ’90 videro avvicinarsi la fine del percorso per l’ultravioletto profondo. Ma cosa sarebbe successo dopo?
Tutte le opzioni erano problematiche. Avrebbero potuto passare ai raggi X, con una lunghezza d’onda minuscola di un nanometro, ma erano diabolicamente difficili da mettere a fuoco. I fasci di elettroni e ioni erano altrettanto precisi; ma funzionavano come stampanti a matrice di punti, trasferendo un motivo punto per punto, il che era troppo lento. (L’industria dei chip vuole una macchina in grado di sfornare centinaia di wafer all’ora.)
«È un’azienda fortemente orientata all’ingegneria: mandiamo migliaia di ingegneri e lasciamo che risolvano questi problemi. È quello che hanno fatto, e ha funzionato».
Jeff Koch, analista, SemiAnalysis
Intorno al 2001, ASML, all’epoca un attore minore nel mondo della litografia, puntò su un’altra opzione: l’EUV, con una lunghezza d’onda appena al di sotto dello spettro dei raggi X. Anche Nikon e Canon ci stavano lavorando, ma si ritirarono, mentre ASML continuò. L’idea era piena di incognite. Nessuno sapeva come generare in modo affidabile quel tipo di luce, né come focalizzarla; l’EUV viene assorbita dalle normali lenti di vetro. Viene assorbita persino dall’aria. ASML pensava che ci sarebbero voluti sei anni interi per superare questo incubo di ricerca e sviluppo.
In realtà ci sono voluti 16 anni e circa 10 miliardi di dollari in ricerca, ma ha funzionato. La macchina, che opera nel vuoto, crea luce EUV vaporizzando stagno fuso e utilizzando specchi per dirigerla. Zeiss, una storica azienda tedesca di ottica, ha dovuto inventare nuove tecniche per lucidare e ispezionare gli specchi, utilizzando un fascio di ioni per eliminare imperfezioni minime.
«Hanno praticamente ignorato il clamore del tipo: “Ehi, questo non funzionerà mai”, e si sono semplicemente scervellati su questi enormi problemi ingegneristici», afferma Jeff Koch, che in passato ha lavorato per ASML e ora è analista presso SemiAnalysis, società di ricerca specializzata nel settore dei chip. «È un’azienda fortemente orientata all’ingegneria: ‘Mettiamo al lavoro migliaia di ingegneri e lasciamo che risolvano questi problemi’. È quello che hanno fatto, e ha funzionato».
Quando le prime macchine EUV sono state immesse sul mercato nel 2017, costavano ben oltre 100 milioni di dollari l’una. Alcuni osservatori si chiedevano se ci sarebbe stata davvero una domanda da parte delle principali aziende produttrici di chip — TSMC, Samsung e Intel. Negli anni in cui i produttori di chip aspettavano che l’EUV diventasse realtà, l’industria della litografia aveva sviluppato metodi ingegnosi per migliorare la vecchia luce ultravioletta profonda. (Se si mette uno strato d’acqua sopra il wafer, ad esempio, la luce può concentrarsi in modo più preciso.) Forse l’EUV non sarebbe stato così necessario per un po’?
Ma ASML ha avuto fortuna. Solo pochi anni dopo il debutto dell’EUV, OpenAI ha lanciato GPT-3 e poi ChatGPT. L’intelligenza artificiale è entrata di prepotenza nel mainstream. Immediatamente, aziende come OpenAI, Google, Meta e Anthropic hanno iniziato a richiedere chip sempre più sofisticati, mentre costruivano enormi server farm per addestrare e implementare grandi modelli linguistici. L’EUV ha reso più facile e veloce la produzione di chip progettati su misura per l’IA. Nvidia ha iniziato a produrre GPU d’élite — processori perfettamente adatti all’addestramento dell’IA — che costano 40.000 dollari l’una; le grandi aziende non ne avevano mai abbastanza. La guerra dell’IA era iniziata e l’EUV era molto richiesto. Nel 2025, secondo ASML, l’azienda ha venduto quasi 50 macchine EUV alle aziende, generando un fatturato di quasi 40 miliardi di dollari. Al momento della pubblicazione, la capitalizzazione di mercato dell’azienda superava i 500 miliardi di dollari.
Le nuove macchine di ASML non mancano certo di potenziali clienti. Ma ce n’è uno in particolare, con ingenti risorse finanziarie, che non può acquistarle a nessun prezzo: la Cina.
Gli Stati Uniti vogliono ostacolare la capacità della Cina di produrre chip all’avanguardia per l’intelligenza artificiale – o qualsiasi altro chip avanzato, se è per questo. Così, quando ASML ha iniziato a vendere le sue prime macchine EUV, nel 2017, l’amministrazione Trump è riuscita a esercitare pressioni sul governo olandese affinché vietasse all’azienda di venderle a qualsiasi società cinese. Gli Stati Uniti avevano inoltre imposto controlli sulle esportazioni nei confronti del colosso cinese delle telecomunicazioni Huawei, vietando alle aziende statunitensi di utilizzare le sue apparecchiature 4G e 5G.
Questo doppio colpo ha fatto infuriare il governo cinese e lo ha spinto ad agire. La Cina sta ora investendo miliardi per recuperare il ritardo e cercare di sviluppare una propria tecnologia di litografia EUV per chip. Un rapporto di Reuters dello scorso inverno ha rivelato che un gruppo di lavoro segreto del governo, composto da ex dipendenti di ASML, aveva messo insieme una macchina così enorme da occupare l’intero piano di un laboratorio. Non è chiaro quanto funzioni bene. L’esperimento potrebbe anche riuscire a produrre alcuni chip, afferma Hijink, ma dubita che possa farlo su scala industriale.
Uno specchio è installato in un sistema ottico per la macchina ad alto NA.
PER GENTILE CONCESSIONE DI ZEISS
Ufficialmente, il governo ha negato di stare spingendo per lo sviluppo della tecnologia EUV. Un editoriale del Global Times — un quotidiano strettamente legato al governo cinese — ha sminuito la notizia, sostenendo che la Cina fosse ancora disposta a collaborare con l’Occidente per ottenere l’accesso ai chip. «Il nostro obiettivo non è mai stato quello di costruire un “isola tecnologica” autosufficiente e isolata», ha affermato, «ma piuttosto, sulla base del raggiungimento dell’autonomia e del controllo sulle tecnologie chiave, di integrarci in modo più profondo e paritario nella rete globale dell’innovazione».
Gli esperti sostengono che la realtà si collochi a metà strada. La Cina desidera sicuramente acquisire la capacità interna di produrre chip di fascia alta. E, a differenza di ASML, non ha bisogno che i propri macchinari EUV siano efficienti e redditizi, con una produzione di circa 200 wafer all’ora. Qualsiasi produzione contribuirebbe a ridurne la dipendenza dall’Occidente.
«Sarebbero felicissimi di avere uno strumento che produca un solo wafer all’ora e che costi una fortuna da far funzionare», afferma Koch. «Costruirebbero una fabbrica con un migliaio di questi macchinari e ne sarebbero super soddisfatti».
Tuttavia, produrre e gestire bene la luce EUV è un’impresa che potrebbe richiedere anni, mi hanno detto alcuni. Nel frattempo, i cinesi punteranno con forza sulla litografia a ultravioletti profondi (DUV), sviluppata negli anni ’90, sfruttando al massimo un approccio alternativo ma più lento noto come multi-patterning, afferma David Lin, consulente senior di per la leadership tecnologica presso lo Special Competitive Studies Project, un think tank specializzato in sicurezza e tecnologia. «Spingeranno la DUV ai limiti assoluti», dice Lin.
La corsa all’intelligenza artificiale sta inoltre spingendo la Cina a ideare modi sempre più ingegnosi per sviluppare modelli di linguaggio di grandi dimensioni (LLM) che non facciano affidamento sui chip AI più veloci. Negli Stati Uniti, OpenAI, Anthropic e Google si contendono chi riuscirà ad accaparrarsi le maggiori quantità dei chip Nvidia più richiesti. Poiché la Cina non può competere su questo fronte, sta innovando non nell’hardware ma nel software, realizzando modelli di linguaggio di grandi dimensioni più leggeri come DeepSeek.
Mentre la Cina entra in azione con grande slancio, ASML è rimasta concentrata sull’obiettivo di ridurre le dimensioni. Per ottenere dimensioni ancora più ridotte, Benschop e i suoi ingegneri hanno deciso di non passare a una nuova forma di luce. Avrebbero invece attuato la seconda parte del processo in due fasi: avrebbero aumentato l’apertura numerica della macchina di oltre la metà (per chi tiene traccia dei numeri specifici, si tratterebbe di passare da un NA di 0,33 a un NA di 0,55). Ciò consentirebbe loro di ridurre le dimensioni dei transistor di quasi la metà e di triplicarne la densità su un chip.
Si tratterebbe inoltre di un percorso più agevole. Senza la necessità di sviluppare una fonte di luce completamente nuova, la nuova macchina — basata sull’EUV ad alta apertura numerica, o “high NA” — sarebbe evolutiva, non rivoluzionaria.
Tuttavia, la realizzazione del nuovo sistema ha presentato alcune sfide complesse. In una macchina EUV, il modo in cui si trasferisce un’immagine su un wafer consiste nell’illuminare il pattern del microchip sul reticolo e poi utilizzare un sistema ottico per catturare la luce riflessa e ridimensionare quel pattern, rimpicciolendolo fino alle dimensioni desiderate sul wafer. La luce colpisce solo una parte del reticolo in un dato momento, quindi si sposta rapidamente il reticolo avanti e indietro per esporre ogni parte del pattern alla luce.
Passare a un’apertura numerica più elevata significava poter avere elementi più piccoli sul reticolo. Ma ciò comportava anche che parte della luce arrivasse al reticolo — e vi si riflettesse — con un angolo più ripido.
Ed è proprio questo che ha causato dei problemi. Il motivo sul reticolo è tridimensionale, quindi la luce che arrivava con un angolo così ripido creava delle ombre, proprio come la luce solare obliqua crea ombre nel Grand Canyon. Ciò rischiava di ridurre la capacità della macchina di realizzare motivi nitidi.
Il nuovo reticolo si muove con un’accelerazione fino a 22 g, molto più veloce rispetto alla macchina EUV originale dell’azienda. «Non provate a sedervi sopra, perché sverrete».
La soluzione è stata quella di modificare il motivo sul reticolo, insieme al modo in cui gli specchi raccoglievano la luce e la riducevano per trasferire il motivo sul wafer. I disegni sul reticolo sarebbero ora stati lunghi il doppio rispetto alla loro larghezza — allungati, per così dire, in una dimensione.
Ma questo progetto comportava a sua volta dei problemi. Le modifiche agli specchi comportavano che l’area del wafer esposta durante una singola scansione fosse la metà rispetto a quella delle macchine EUV originali, riducendo la velocità del sistema « ». E ASML non poteva tollerare alcun rallentamento: i produttori di chip la pagavano per macchine con una produttività enorme, circa 200 wafer all’ora.
Se una parte del sistema rallentasse, un’altra dovrebbe accelerare. Gli ingegneri hanno deciso che la macchina dovesse muovere il reticolo più velocemente, il che significava alleggerire l’intero meccanismo e riprogettarlo radicalmente. Il nuovo reticolo si muove con un’accelerazione fino a 22 g, molto più veloce rispetto alla macchina EUV originale dell’azienda. «Non provate a sedervi sopra, perché sverrete», mi ha detto Pieters. Anche il tavolino portwafer si muove più velocemente, di pari passo con il reticolo.
Nel frattempo, in Germania, gli ingegneri di Zeiss erano impegnati a progettare specchi in grado di adattarsi alla maggiore apertura numerica e alla forma asimmetrica della luce. I nuovi specchi sarebbero stati circa il doppio di quelli delle normali macchine EUV, e il sistema di proiezione, che convoglia la luce dal reticolo al wafer, pesava ben 12 tonnellate, sette volte di più rispetto a prima. Zeiss ha costruito una nuova linea di produzione assistita da robot per gestire questi nuovi e pesanti colossi. L’azienda afferma che si tratta delle superfici più lisce che abbia mai realizzato.
Allo stesso tempo, ASML stava lavorando per rendere la propria sorgente di luce EUV ancora più potente, al fine di velocizzare il processo di esposizione del wafer. Gli ingegneri calcolarono che avrebbero potuto migliorare la resa dell’EUV se avessero colpito ogni gocciolina di stagno tre volte con il laser invece che due, come avveniva nella prima macchina. Ciò significava che il sistema di emissione dello stagno, già frenetico, avrebbe dovuto accelerare del 50%. «I laser diventano sempre più grandi», afferma Alex Schafgans, responsabile dell’ingegneria presso ASML a San Diego, dove viene costruita la sorgente di luce EUV.
In effetti, i laser per una singola macchina ora occupano un’intera stanza. Dopo che Benschop mi ha mostrato l’enorme dispositivo ad alto NA, abbiamo attraversato il corridoio ed siamo entrati in una camera piena di imponenti scatole alte sei piedi che facevano parte del sistema laser. Sbirciando attraverso minuscole finestre sui lati delle unità, potevamo vedere il plasma viola incandescente utilizzato per generare la luce laser.
Quando le macchine ad alto NA cominciarono a uscire dalla catena di montaggio, un’azienda le attendeva con impazienza: Intel. L’azienda acquistò la primissima macchina ad alto NA messa in vendita e, nella primavera del 2024, 300 ingegneri ASML si presentarono in Oregon presso uno degli stabilimenti di produzione di Intel per iniziare ad assemblarla e testarla.
«ASML ha addirittura avvolto uno dei contenitori con un nastro gigante», racconta ridendo Mark Phillips, fellow di Intel e direttore delle soluzioni hardware e litografiche. Il suo team sta testando la macchina per verificarne le prestazioni; Phillips non ha fornito dettagli, limitandosi a dire di essere «molto soddisfatto del rapido miglioramento delle condizioni della macchina». Non ha inoltre voluto fornire una data in cui Intel inizierà a utilizzarla per la produzione di chip, anche se secondo gli osservatori ciò avverrà probabilmente l’anno prossimo. L’azienda prevede di introdurla gradualmente, utilizzandola inizialmente solo per pochi componenti di precisione su un chip e poi estendendone progressivamente l’uso.
La posta in gioco è la possibilità di ritrovare il proprio smalto. Intel era un tempo un colosso del silicio, che progettava le CPU più all’avanguardia per computer e server e le produceva nei propri stabilimenti. Ma negli anni 2010, i nuovi grandi mercati erano quelli dei chip per telefoni cellulari e delle GPU per l’intelligenza artificiale e i videogiochi, e Intel ha rapidamente perso terreno. Apple ha progettato i propri chip per dispositivi mobili (facendoli produrre da TSMC), mentre Nvidia ha fatto lo stesso con le GPU. Nel 2015 Google ha iniziato a sfornare i propri chip per l’intelligenza artificiale, chiamati TPU e realizzati da TSMC, e in breve tempo ne ha riempito i propri data center.
Mark Phillips, ricercatore di Intel, illustra ai rappresentanti dei media lo strumento ad alto NA presso lo stabilimento Fab D1X dell’azienda a Hillsboro, nell’Oregon. Intel è stato il primo cliente di ASML per la nuova macchina EUV.
PER GENTILE CONCESSIONE DI INTEL CORPORATION
Così, nel 2021, Intel ha annunciato un progetto ambizioso: avrebbe avviato in modo aggressivo lo sviluppo di un’attività di fonderia, in grado di competere alla pari con TSMC. Anziché creare chip Intel, la fonderia Intel avrebbe prodotto progetti per clienti quali i produttori di telefoni cellulari e di chip per l’intelligenza artificiale.
Intel spera che essere la prima a utilizzare la tecnologia ad alto NA le dia un vantaggio nella corsa al silicio, rendendo possibile la stampa di minuscoli pattern più velocemente di chiunque altro.
Potrebbe anche semplificare le cose per i clienti. Nel corso degli anni, in attesa dell’arrivo delle macchine EUV, i progettisti di chip hanno utilizzato il multi-patterning per sfruttare al massimo le vecchie forme di luce. Ogni chip è costituito da strati, che vengono depositati per realizzare componenti come gli interruttori e i collegamenti. Se si lavora su uno di questi strati e occorre realizzare elementi più piccoli di quelli che la macchina è normalmente in grado di produrre, è possibile suddividere il modello di quello strato in diversi modelli e poi esporre il wafer a ciascuno di essi uno alla volta. Questa strategia ha aiutato i produttori di chip a continuare a utilizzare macchine più vecchie (e più economiche) pur continuando a creare componenti sempre più piccoli. Ma il multi-patterning è una seccatura: è più impegnativo progettare la complessa sovrapposizione dei modelli ed è molto più lento stampare ogni chip. Progettare un chip è molto più semplice se si sa di poter ricorrere al “single patterning”, esponendo ogni strato in un’unica operazione.
Gli osservatori sostengono che non sarà facile costruire un’attività di fonderia in grado di superare TSMC e Samsung sul loro stesso terreno. «Superarle in un balzo è difficile», afferma Hijink. Ma è anche vero che il mondo dell’alta tecnologia ha una fame così vorace di chip migliori che Intel potrebbe avere successo, semplicemente perché nemmeno TSMC e Samsung riescono a soddisfare tutto quel fabbisogno.
«C’è una domanda residua, quindi Intel può sopravvivere grazie a quella», afferma Koch. «Ormai non si tratta nemmeno di briciole. È un pasto completo. Potrebbe non essere la migliore fonderia, ma è in grado di produrre chip, e ci sono solo tre aziende che possono farlo, giusto?»
Da parte sua, TSMC sembra voler prendere tempo per quanto riguarda l’alto NA. «TSMC implementerà l’EUV ad alto NA quando sarà maturo e pronto a offrire il massimo beneficio ai nostri clienti», ha scritto l’azienda al MIT Technology Review. Alcuni sospettano che non utilizzerà le macchine su larga scala fino agli anni ’30 del 2000. Parte del motivo è il costo: TSMC è spietatamente concentrata sulla produzione di chip nel modo più economicamente vantaggioso possibile, e gli strumenti ad alto NA costano ben 400 milioni di dollari ciascuno, molto di più rispetto ai precedenti impianti EUV. E a differenza di questi ultimi, le nuove macchine non rappresentano un salto rivoluzionario in avanti.
«Si tratta di un miglioramento in termini di capacità compreso tra il 30% e il 50%», afferma Koch, analista ed ex dipendente di ASML. «Probabilmente questo è il primo strumento che non ha avuto immediatamente un senso dal punto di vista commerciale per ASML».
Non è che il settore non finirà per adottare in massa l’alta NA, dice Koch. La maggior parte delle aziende dovrà farlo, se vorrà continuare a ridurre le dimensioni. Ma TSMC è più propensa a spingersi il più lontano possibile con i suoi attuali strumenti EUV, utilizzando il costoso multi-patterning per spremere il massimo da quella generazione fino a quando non sarà assolutamente necessario passare a qualcosa di nuovo.
«Il settore ha cambiato paradigma solo quando non è stato più assolutamente possibile spingersi oltre — nemmeno di un minimo — rispetto a quanto fatto finora», afferma Koch.
La Cina non è l’unica a voler sconvolgere l’attuale equilibrio di potere. Il predominio di ASML e il costo crescente dei suoi strumenti stanno stimolando anche altre realtà emergenti. Ma invece di cercare di replicare le innovazioni di ASML nell’EUV, stanno agendo in modo indiretto, lavorando su strumenti di litografia che utilizzano forme di luce completamente diverse. Questi saranno molto più economici, promettono, e altrettanto potenti.
Una di queste è Substrate, una startup con sede a San Francisco. Fondata quattro anni fa, sta lavorando a uno strumento che utilizza raggi X prodotti da un acceleratore di particelle. I raggi X hanno una lunghezza d’onda straordinariamente piccola, il che li rende uno strumento potenzialmente potente per creare caratteristiche minuscoli.
Gli acceleratori di particelle sono sempre stati enormi, il che ne rendeva difficile l’integrazione nel processo di produzione dei chip. Substrate afferma di aver sfruttato decenni di progressi scientifici nell’accelerazione delle particelle per produrre una sorgente luminosa più piccola e adatta alla produzione di massa.
L’anno scorso l’azienda ha pubblicato immagini che mostravano la realizzazione di motivi finissimi, che secondo Proud, l’amministratore delegato, sono attualmente realizzabili solo con una macchina EUV ad alto NA. Egli afferma che l’obiettivo di Substrate è produrre chip su larga scala entro il 2030.
Ma Proud non intende vendere gli strumenti a TSMC o Intel. Anzi, non ha intenzione di venderli a nessuno. Substrate vuole invece creare un proprio stabilimento di produzione, realizzando chip utilizzando i propri strumenti.
«La quantità di chip di cui avremo bisogno sarà di molti ordini di grandezza superiore persino alle proiezioni più ottimistiche che avete oggi».
James Proud, cofondatore e CEO di Substrate
L’industria dei semiconduttori, sostiene Proud, ha bisogno di nuovi approcci, perché è diventata troppo costosa e troppo centralizzata. Oggi la costruzione di un singolo stabilimento può costare 25 miliardi di dollari, rispetto ai circa 5 miliardi degli anni 2010, osserva l’azienda. Questo sta facendo salire il costo di un singolo wafer pieno di chip avanzati verso i 100.000 dollari, afferma Proud.
«Si tratta, a mio avviso, di un costo proibitivo», afferma. Inoltre, la capacità della catena di approvvigionamento è insufficiente: «È relativamente lenta e difficile da adattare all’attuale aumento della domanda». Ammira gli strumenti EUV di ASML — che rappresentano «il massimo livello di implementazione di quella tecnologia» — ma ritiene che siano necessari nuovi approcci.
Ciò è in parte dovuto a ragioni di sicurezza nazionale. Proud e il suo team ritengono che sia troppo pericoloso per gli Stati Uniti fare affidamento su forniture estere. Ma egli prevede anche che l’attuale boom dell’intelligenza artificiale subirà un’accelerazione, creando una domanda massiccia di chip che l’attuale duopolio ASML/TSMC non sarà in grado di soddisfare: «La quantità di chip di cui avremo bisogno sarà di molti ordini di grandezza superiore persino alle proiezioni più ottimistiche che avete ora».
Le macchine di ASML utilizzano laser e stagno fuso per generare la luce EUV.
CHRISTOPHER PAYNE
Substrate prevede di riuscire a produrre wafer finiti al costo di 10.000 dollari l’uno — un decimo di quanto, secondo Proud, sarà il costo di riferimento per il resto del settore. Proud afferma che ciò è in parte dovuto al fatto che il sistema dell’azienda sarà integrato verticalmente, consentendole di controllare tutte le fasi del processo di produzione dei chip, ma anche perché le sue attrezzature litografiche saranno meno complesse: «Siamo in grado di realizzare il tutto in una sorta di pacchetto più semplice».
Tuttavia, Substrate mantiene il riserbo sulle proprie carte. A differenza di ASML, l’azienda non fornisce dettagli precisi su come genera la luce, né su come ciò si traduca poi nella creazione di pattern su un wafer.
Le ambizioni di Substrate fanno riflettere alcuni osservatori del settore. Hijink, che ritiene probabilmente «irraggiungibile e impossibile» padroneggiare contemporaneamente sia una nuova forma di litografia sia tecniche di produzione ad alta produttività, considera la segretezza dell’azienda un campanello d’allarme. «Questo settore si basa sull’innovazione aperta», afferma.
Koch è invece più colpito dalle sue ambizioni e dai finanziamenti. Il tipo di tecnologia che sta perseguendo «è davvero fantastico», dice. «È interessante». Ma «c’è ancora molta strada da fare tra la dimostrazione su scala di laboratorio e la produzione su larga scala», aggiunge. «Si tratta di una rivoluzione imminente per ASML? Probabilmente no».
Un’altra startup che punta a entrare sul mercato più o meno nello stesso periodo di Substrate è Lace Lithography. Con sede in Norvegia, sta mettendo a punto un approccio completamente diverso, che non utilizza affatto la luce. Al suo posto, un fascio di atomi di elio ad alta energia viene diretto verso il motivo sul reticolo. Quando gli atomi di elio colpiscono il wafer, gli trasferiscono la loro energia, imprimendo il disegno sul chip.
L’idea risale a qualche tempo fa. Bodil Holst, l’amministratrice delegata, l’ha ripresa nel 2008, quando era una fisica che studiava l’uso dei fasci di atomi. Il professore del MIT Henry “Hank” Smith, pioniere nell’uso dei raggi X per la litografia, le disse che avrebbe dovuto esplorare l’uso degli atomi come meccanismo per la produzione di microchip, perché all’epoca non era sicuro che l’ambizioso progetto EUV di ASML avrebbe funzionato. «Anche se funzionasse, alla fine avremo comunque bisogno degli atomi», le disse.
Holst ha condotto alcuni esperimenti per approfondire l’idea e ha collaborato con un suo ex dottorando — Adrià Salvador Palau, fisico ed esperto di apprendimento automatico — per fondare Lace. Come quello di Substrate, il suo strumento è completamente diverso dagli enormi macchinari di ASML. La sorgente degli atomi eccitati «assomiglia un po’ al motore di un razzo», afferma Palau. «È davvero fantastico». Mentre la lunghezza d’onda dell’EUV è di 13,5 nanometri, gli atomi di elio offrono una precisione di 0,1 nanometri. Il processo richiede inoltre molta meno energia e la macchina è progettata per essere molto più piccola. Holst mi dice che l’azienda punta ad avere macchine pronte per la vendita alle fabbriche entro il 2029 o il 2030.
«Penso che tutti non vedano l’ora di vedere qualcosa che estenda la road map oltre la luce, oltre l’EUV», afferma Palau.
ASML sta osservando queste nuove realtà con curiosità. Benschop afferma di non poter valutare se la tecnologia di Substrate funzionerà in modo affidabile e a costi accessibili, poiché l’azienda non ha fornito alcuna spiegazione sui propri processi. Tuttavia, ha partecipato a una conferenza in cui Holst e Palau hanno tenuto una presentazione illustrando la tecnologia di Lace Lithography.
«Sono incredibilmente impressionato da come lo fanno», afferma. Il problema, dice, è che non ritiene che il processo produca sul wafer pattern abbastanza profondi da essere utili. «Non riesco a capire come potrebbero scalarlo fino a un prodotto di volume realizzabile», mi ha detto.
Sospetta che la padronanza dell’EUV da parte di ASML le consentirà di rimanere al vertice nel prossimo futuro. «Finora non ho visto un’alternativa valida», afferma. Ritiene che non ci sia «nessun serio concorrente» quando si tratta della produzione in serie delle generazioni di chip più avanzate.
È vero che i grandi cambiamenti nella produzione di chip sono lenti, afferma Chris Miller, professore di storia internazionale alla Tufts University e autore di *Chip War*, un libro sulla lotta mondiale per il dominio nel settore. «Senza dubbio alla fine avremo delle alternative [all’EUV]», mi ha scritto via e-mail. «Ma vale la pena notare che le transizioni nella litografia hanno storicamente richiesto anni, se non decenni».
Anche i dirigenti di ASML stanno riflettendo sul loro futuro. Benschop prevede che la tecnologia ad alto NA dominerà la produzione di chip fino agli anni ’30. E oltre? Il settore ha, infatti, tendenzialmente adottato una nuova forma di luce ogni decennio.
«Si potrebbe sostenere che sia giunto il momento del prossimo decennio», mi ha detto dopo che ci siamo tolti le tute protettive e lui si stava rilassando con un caffè.
Ma i dirigenti di ASML ritengono di poter continuare a sfruttare al massimo le potenzialità dell’EUV aumentando ulteriormente l’apertura numerica sulle loro macchine esistenti. Stanno già sperimentando un progetto che porterebbe l’apertura numerica da 0,55 a 0,75: l’«iper-NA». Ciò consentirebbe loro di incidere i wafer con una risoluzione di sei nanometri. Stanno inoltre lavorando alla standardizzazione delle loro varie ottiche in un’unica piattaforma di dimensioni uniformi, in modo che i clienti possano ordinare un’unica macchina equipaggiata per EUV standard, alta NA o hyper NA. Se tutto fosse contenuto in un’unità delle stesse dimensioni, ciò semplificherebbe i costi e la logistica dell’integrazione di ciascuna macchina in uno stabilimento di produzione. Se l’azienda porterà a termine il progetto, secondo le stime di Benschop, lo strumento hyper-NA potrebbe arrivare sul mercato tra sette o otto anni ed essere venduto in grandi quantità nella seconda metà degli anni ’30.
Per ora, la palla è nel campo di ASML. «Stiamo spingendo i limiti della fisica», mi ha detto Pieters. La domanda ora è se qualcun altro possa spingersi oltre.
Clive Thompson è un giornalista scientifico e tecnologico con sede a New York City. Ha scritto dello sviluppo della macchina EUV originale di ASML nel numero del 2021 di MIT Technology Review dedicato all’informatica.
Immagine di copertina: macchina EUV ad alto NA di ASML – PER GENTILE CONCESSIONE DI ASML
