«Манхэттенский проект» для IT

Уже на этой неделе делегация чиновников из США, включая замминистра торговли Алана Эстевеса и сотрудника Совета национальной безопасности Таруна Чхабру, нанесет визит в Нидерланды, чтобы обсудить экспортные ограничения в отношении Китая, пишут FT и Bloomberg. Как предупреждает издание, не стоит ждать немедленных соглашений.

В центре геополитического противостоянии США, Европы и Китая голландская компания ASML из небольшого городка Велдховен. Ее название ничего не говорит широкой публике. Хотя без уникального оборудования от ASML невозможно создать лучшие чипы, которые Apple использует в последних моделях Mac и iPhone, а Google и Amazon – в своих алгоритмах поиска, перевода, распознавания изображений и искусственного интеллекта.

Отрезать от китайского рынка ASML – это удар гораздо серьезнее, чем запрет на экспорт произведенных в США чипов или санкции против Huawei. Голландская компания делает литографические машины (степперы), на которых и производятся полупроводники. И она единственная компания в мире, которая научилась использовать излучение с длиной волны в 13,5 нм. Такая длина позволяет серийно производить 7-, 5- и 3-нанометровые чипы. Чем мельче транзисторы в микросхеме, тем плотнее они расположены, тем быстрее сквозь них проходят электрические сигналы, а значит, выше производительность и ниже энергопотребление. К тому же при производстве на одной кремниевой пластине оказывается больше чипов, что приводит к экономии средств.

Используемая ASML технология получила название экстремальной ультрафиолетовой литографии. В гонке за ней участвовали многие соперники, в том числе два других крупнейших производителя литографических машин для чипов – японские Canon и Nikon. Но шансы на успех были настолько призрачны, что конкуренты решили: машины такой сложности никому не по зубам. И бросили эту затею. А ASML – нет. Ей понадобилось 17 лет, $9 млрд, множество экспериментов, зачастую неудачных, – но теперь она монополист. И нет никаких признаков, что кто-либо способен ее догнать, пишет CNBC.

На грани закона

Около 60 лет назад один из основателей Intel – Гордон Мур подсчитал, что развитие технологий позволит каждый год удваивать плотность размещения транзисторов на чипе. Следовательно, мощность чипов будет расти по экспоненте. В 1975 г. Мур внес поправку: удвоение числа транзисторов будет происходить не ежегодно, а каждые два года.

Практика долгое время подтверждала закон Мура. Но в 2015 г. гендиректор Intel Брайан Кржанич предупредил, что теперь удвоение требует 2,5 года. Разгорелась очередная дискуссия, не пора ли отправить закон Мура в помойку. Точку в ней поставила ASML, начав продажи своего революционного оборудования.

ASML была основана 1 апреля 1984 г. как совместное предприятие Philips и производителя чипов ASM International. В те годы название СП расшифровывалось как Advanced Semiconductor Materials Lithography («Литография передовых полупроводниковых материалов»). Но на своем сайте компания просит не воспринимать ее бренд как аббревиатуру: «Со временем это стало просто ASML».

Сначала компания ютилась в ветхом ангаре рядом с офисом Philips в голландском Эйндховене. В том же 1984 году на рынок вышел первый степпер компании – PAS 2000. Через год она переехала в соседний городок Велдховен в новый офис рядом с недавно построенным заводом. В 1988 г. ASM International из-за финансовых трудностей продала свою долю Philips. Но там тоже считали актив непрофильным. В том же 1988 году Philips оптимизировала бизнес и хотела прекратить инвестировать в ASML. Ее остановили только отчаянные лоббистские усилия руководства ASML. В 1995 г. ASML была выведена на IPO, в ходе которого Philips избавилась от половины своих акций. А в последующие годы продолжила снижать свою долю.

Успех ASML во многом связан с именем Мартина ван ден Бринка, гендиректора и технического директора компании с 2013 г. В 1984 г. он окончил голландский Университет Арнема и Неймегена (HAN) с дипломом инженера электротехники и почти согласился на оффер Philips. Но во время собеседования сотрудник, расхваливая инновационность компании, показал ему буклет про только что основанную ASML. Ван ден Бринк немедленно попросился на работу туда. «Конечно, я не мог тогда знать, что ASML станет крупнее, чем Philips», – шутил он. Но ван ден Бринк увидел два преимущества. «Я сразу понял, что оборудование для литографии полупроводников не ограничится одной технологией, а объединит множество различных видов знаний. Оптика, мехатроника, электроника, разработка программного обеспечения, химия...» – рассказывал он в интервью для сайта ASML. Работа на стыке технологий была его мечтой.

Вторым аргументом стало то, что в стартапе он быстрее мог сделать карьеру, чем в большом холдинге. Расчет оправдался. Вскоре ван ден Бринк стал проджект-менеджером, потом координатором нескольких проектов, а в 1995 г. добрался до поста вице-президента по технологиям. В 1999 г. его назначили исполнительным вице-президентом по маркетингу и технологиям, а в 2013 г. он возглавил компанию.

Между тем производители чипов, следуя закону Мура, постоянно уменьшали длину волны, используемой при производстве чипов, и, следовательно, размер транзисторов. Но к концу 1990-х гг. они уперлись в барьер. Уменьшить волну ниже 193 нм никак не получалось. Ситуация становилась все более и более плачевной. Приходилось изобретать все более сложные конструкции, чтобы закон Мура продолжал действовать. Например, наносить на пластину слой воды, который преломлял свет и позволял увеличить фокусировку (ASML выпустила такой степпер в 2007 г.). Среди других вариантов было многократное формирование рисунка на одной кремниевой пластине. Но все эти ухищрения сильно усложняли и удорожали процесс производства.

Сбивать молекулы

Казалось бы, проще всего уменьшить длину волны излучения и использовать сверхжесткий, или экстремальный, ультрафиолет (EUV) с длиной 13,5 нм. Работу над этим вели ряд компаний, включая Canon, Nikon, Intel, Motorola и AMD. В 1999 г. после трех лет размышлений и робких опытов в эту гонку вступила и ASML. Приз был весьма манящим: в случае успеха нидерландская компания со штатом в 300 человек стала бы гигантом. Вот только шансы на победу казались минимальными. Одна за другой остальные компании забрасывали опыты. Уж слишком много проблем возникало при переходе на излучение 13,5 нм с традиционного 193 нм. Как признавался ван ден Бринк, и у него не раз закрадывались сомнения, реально ли создать EUV-степпер и удастся ли выбить финансирование для продолжения экспериментов.

Например, чтобы сфокусироваться на кремниевой пластине, свет в литографических машинах отражается от зеркал и проходит через линзы. Но экстремальный ультрафиолет поглощается стеклом – первое же зеркало или линза оказывались непреодолимым препятствием. Пришлось с помощью компаний со всего света создавать новые материалы. Зеркала разработала Zeiss Group, покрыв их чередующимися слоями кремния и молибдена, каждый толщиной всего в несколько нанометров.

С зеркалами возникла еще одна проблема, рассказывает MIT Technology Review. Так как длина волны измеряется нанометрами, то зеркало для степпера должно быть невероятно гладким. Если взять зеркало из вашей ванной и увеличить его до размеров Германии, на нем будут выпуклости около 5 м высотой. Если взять зеркало для космического телескопа и проделать с ним то же самое, на нем обнаружатся выпуклости до 2 см. При таком же увеличении зеркало для EUV-литографии должно иметь дефекты не более 1 мм в высоту. На шлифовку всех слоев зеркала уходит несколько месяцев, а при конечной доводке используется ионный пучок, буквально сшибающий отдельные молекулы.

Другой проблемой стал источник экстремального ультрафиолета. Для него нужна плазма. Американская компания Cymer, работая в сотрудничестве с немецкой фирмой Trumpf, придумала поражать микроскопическую каплю олова лазерным лучом. Излучение все равно оказалось недостаточно мощным. В конце концов исследователи нашли выход. Лазер делал две вспышки. Первая, не очень мощная, сплющивала каплю в блин, а вторая уже сжигала ее. В секунду этот процесс повторяется 50 000 раз.

Стоило решить одну проблему – сразу появлялась как минимум одна новая. Придумали, как сжигать олово, – но тепло от него нагревало ближайшее зеркало, изменяло его размеры, и свет отражался не туда, куда нужно. А разлетающиеся ионы ртути загрязняли поверхность зеркала.

Разработка степпера, использующего излучение EUV, постоянно отставала от графика. Изначально предполагалось, что в 2006 г. у ASML будет готовое к серийному производству изделие. На самом деле к этому сроку у нее было только два прототипа со множеством недостатков. У ASML просто не хватило бы денег, чтобы закончить проект. Но в 2012 г. Intel, Samsung и TSMC решили инвестировать в нидерландскую компанию в общей сложности $6 млрд. А через пять лет, в 2017 г., EUV-степпер был готов к серийному производству.

Сейчас компания производит два EUV-степпера. ASML Twinscan NXE:3400С выпускает чипы 7 нм и 5 нм и стоит от $120 млн. Его более современная модификация Twinscan NXE:3600D способна производить чипы до 3 нм и стоит около $200 млн. «Это очень сложная технология – по сложности она, вероятно, относится к категории «Манхэттенского проекта», – говорит Сэм Шивакумар, директор Intel по литографии (цитата по MIT Technology Review). В степперах около 100 000 деталей, для их доставки требуется 40 контейнеров, которые перевозят три Boeing 747 и 20 грузовиков.

Загородили свет в сарай

В 2015 г. у ASML было 15 000 сотрудников и выручка 6,3 млрд евро. В прошлом году компания наняла 30-тысячного сотрудника, а выручка составила 18,6 млрд евро. Сейчас штат ASML уже превысил 32 000 человек. В 2025 г. компания, по ее собственным прогнозам, заработает 40 млрд евро, а в 2030 г. – 60 млрд евро. Капитализация ASML – 231 млрд евро. Для сравнения: у Intel – $120 млрд, у TSMC – $415 млрд.

В 2020 г. ASML занимала 89% рынка степперов, который оценивался в $12,8 млрд (по данным исследовательской фирмы Gartner Dataquest). В прошлом году она поставила 35 EUV-степперов и почти 200 DUV-степперов (предыдущее поколение с длиной волны 193 нм). В 2025 г. компания планирует выпустить 90 и 600 степперов каждого поколения соответственно. Чем больше будет производиться EUV-машин, тем дешевле они будут стоить и тем больше устройств будет оснащаться самыми современными чипами.

В середине ноября ASML объявила, что в связи с увеличением производства будет искать новых поставщиков. Также планируется инвестировать около 500 млн евро ежегодно в расширение собственных мощностей по всему миру. ASML не исключает, что активно займется поглощениями. Пока сложно сказать, какими компаниями она может заинтересоваться. Что-то может подсказать опыт прошлого. В 2007 г. ASML приобрела американского поставщика решений для проектирования и оптимизации производства полупроводников Brion, в 2013 г. – американского производителя источников света для литографии Cymer, а в 2020 г. – немецкого производителя оптических систем Berliner Glas.

«У нас 60 отделений в 16 странах, наши исследовательские центры расположены в Европе, Азии и Америке, – рассказывается на сайте ASML. – А родом мы из Нидерландов, наша штаб-квартира находится в Велдховене». Велдховен – это душа и сердце всего производства: здесь ведутся основные исследования и здесь же происходит окончательная сборка степперов. При населении города около 45 000 человек в штаб-квартире работает 14 000 сотрудников. Многие из них приехали из других стран.

Из-за ASML стоимость аренды жилья в Велдховене и окрестностях растет быстрее, да и цены на услуги и товары тоже: многие сотрудники ASML получают не в пример больше, чем зарабатывают местные жители в других компаниях, пишет Bloomberg. В других городах ситуация не сильно лучше: Нидерланды – одна из самых густонаселенных промышленно развитых стран мира. Но расширение ASML в Велдховене все равно вызывает напряженность между компанией и горожанами.

Сейчас производство занимает 225 000 кв. м, но этого недостаточно. С одной стороны штаб-квартиры больница, с другой – заповедник. Остается единственный вариант – строить новые корпуса вплотную к домам горожан. 20 декабря городской совет должен проголосовать за или против выделения ASML земли и выдачи разрешения на строительство зданий высотой до 45 м. Это заставило жителей сонного городка создать инициативную группу из противников застройки, куда вошло около сотни домохозяйств. Некоторые из активистов, кстати, работают в ASML.

В основном местные недовольны тем, что слишком высокие здания закроют им солнце, яркое освещение промзоны помешает спать, а шум от агрегатов вмешается в привычные звуки небольшого городка. Например, 64-летний художник Йуп ван дер Вельден переоборудовал сарай на заднем дворе в мастерскую. Новый цех планируется построить буквально в нескольких метрах от его участка – и тем самым он лишится естественного освещения. И компания готова идти на уступки. ASML обещает не строить здания выше 20 м и гасить большую часть освещения по ночам. Но не может выполнить требование жителей о строительстве цехов под землей, потому что старые и новые чистые помещения должны находиться на одном уровне. Переговоры продолжаются.

Голландское сопротивление

Но гораздо больше зависит от других переговоров. Если лоббистские усилия США оправдаются, то единственным из крупных игроков на рынке производителей чипов, кто не сможет воспользоваться плодами технологической революции ASML, будет Китай.

Он активно развивает собственную программу по производству чипов. Как пишет Asia Times, китайский производитель микросхем SMIC буквально шокировал США, объявив, что он произвел 7-нанометровые чипы без технологии EUV, а теперь переходит к 5-нанометровым. Но чтобы создать EUV-степпер, аналогичный выпускаемым сейчас ASML, Китаю понадобится не менее 10 лет, подсчитали в Джорджтаунском университете по просьбе The New York Times. Между тем ASML с 2023 г. собирается поставить клиентам первые машины новой, еще более точной модели степперов Twinscan EXE:5200, а с 2025 г. перейти к ее серийному производству.

Тут стоит, конечно, упомянуть российских ученых, которые внезапно заявили о готовности бросить вызов ASML. В частности, бывшего главу РАН, а ныне научного руководителя Национального центра физики и математики (НЦФМ), академика Александра Сергеева. По его словам, «коллаборация в рамках НЦФМ, которую мы хотим предложить», может разработать альтернативу литографу ASML «в течение двух-трех лет». «Мы будем использовать для фокусировки этого излучения рентгеновские зеркала, которые разработаны в Институте прикладной физики РАН и Федеральном ядерном центре в Сарове, а также разработки Института им. Седакова. Если соединить эти три разработки, то мы получим литографическую систему с мощностью, которая в разы превосходит те, что делает ASML», – заявил Сергеев на форуме «Атомэкспо» и предложил принять участие в проекте «Росатому».

Но дело даже не в годах, требуемых на разработку. В мире есть только одна страна, которая в случае необходимости могла бы относительно быстро наладить самостоятельное производство полупроводников, – это Япония, объясняет Asia Times. В других странах отсутствуют целые звенья из цепочки производства. Та же ASML, например, собирает степперы в Нидерландах, но использует компоненты из США, Германии, Японии и ряда других стран – всего от около 800 поставщиков. При этом Япония не стремится построить суверенное производство и вместо полупроводников Made in Japan использует продукцию тайваньской TSMC.

В США давно озабочены зависимостью от TSMC, особенно на фоне спекуляций вокруг силового присоединения острова к Китаю. В июле этого года сенат США одобрил законопроект о поддержке отечественных производителей стоимостью $52 млрд. Аналогичная программа Китая оценивается в $1 трлн. По оценке Boston Consulting Group и Semiconductor Industry Association, $1 трлн – это минимум, нужный для создания самодостаточного производства полупроводников в отдельно взятой стране. Вот только стоимость суверенных устройств будет сильно выше аналогов, созданных при международном сотрудничестве.

Еще администрация Дональда Трампа в разгар торговой войны надавила на руководство компании и власти Нидерландов, чтобы ASML не поставляла свое новейшее оборудование в Китай, писала The New York Times. Администрация Байдена продолжила эту политику. В итоге ни одна машина ASML последнего поколения не попала в Китай.

Этот запрет не повлиял на бизнес ASML, хотя теоретически ее продажи могли бы снизиться на 5%, подсчитало Bloomberg. На практике спрос на последнее поколение ее машин выше, чем производственные мощности компании, и заказы расписаны надолго вперед, признает ASML. С 2017 г. сделано всего около сотни машин последнего поколения. 84% из них досталось всего трем клиентам: TSMC, Samsung и Intel.

Но вот машин предыдущих поколений ASML производит гораздо больше, и они пока свободно продаются в Китай. Как предупреждает китайская газета Global Times, материковый Китай – третий по величине рынок для ASML, на продажи туда предыдущих поколений оборудования в 2021 г. пришлось 14,7% выручки. Вряд ли компания может быть довольна тем, что ее отрезают от такого важного рынка сбыта. Власти Нидерландов тоже не в восторге. Они уже открыто высказывают недовольство политикой США. Нидерланды не будут безоговорочно соглашаться с американскими экспортными ограничениями в отношении Китая, предупредила в середине ноября министр внешней торговли Нидерландов Лише Шрайнемахер в интервью газете NRC. Это был первый раз, когда голландские официальные лица публично изложили свою позицию, отмечает Bloomberg.

22 ноября Шрайнемахер повторила, что Нидерланды примут собственное решение о продаже оборудования ASML Китаю: «Важно, чтобы мы защищали <...> наши экономические интересы». В тот же день верховный представитель ЕС по иностранным делам и политике безопасности Жозеп Боррель высказался в том же ключе: «[Надо] дистанцировать [европейский] блок от масштабного давления США, нацеленного на запрет экспорта чипов высокого класса».

Заслуженный отдых

ASML предрекали крах, еще когда ван ден Бринк устраивался на работу, вспоминал он. Один из американских аналитиков написал, что компания еще не начала работу, а уже отстала от мирового прогресса на два года. С тех пор бизнес не раз оказывался на краю пропасти. Но сейчас единственное, что его беспокоит, – офисный стул, заметил во время интервью автор интернет-издания Bits & Chips. «Вы только гляньте на эту гадостную штуку. У него слишком много вариантов регулировки», – ворчал ван ден Бринк, пытаясь симметрично установить подлокотники. EUV-машины не в пример сложнее, но здесь лидер ASML спокоен: разработка их последнего поколения продвигается весьма успешно.

В выпускаемых сейчас EUV-степперах числовая апертура (техническая величина, определяющая размер элементов процессора) составляет 0,33. У машины последнего поколения Twinscan EXE:5200 она составит 0,55. «Эта машина – кульминация моей карьеры», – говорит ван ден Бринк. По его мнению, на этом развитие литографии полупроводников и закончится. Twinscan EXE:5200 стоит около $300 млн против $200 млн за самую дорогую модель прежнего поколения. Теоретически апертуру можно довести даже до 0,75, рассуждает ван ден Бринк: «Но много ли места на рынке осталось для такой техники? Сможем ли мы продать эти машины? <...> Если их стоимость будет расти с изменением апертуры так же, как мы видим сейчас, с экономической точки зрения выпускать их будет нереально».

Впрочем, об этом будет болеть голова уже у других. Ван ден Бринк должен уйти на пенсию в 2024 г., за год до запуска Twinscan EXE:5200 в серийное производство. Фактически он наметил курс технологического развития отрасли на ближайшее десятилетие. Сейчас ван ден Бринку 62 года, и в год он зарабатывает более 4 млн евро (данные сервиса Wallmine).

Благодаря ASML закон Мура продержится еще минимум десяток лет. Но не за горами времена, когда стремление производителей чипов увеличить вдвое их плотность станет наталкиваться на физические ограничения, которые еще сложнее, чем те, которые преодолела ASML, предрекает MIT Technology Review. Переход на следующий уровень мощности будет связан, видимо, уже с квантовыми вычислениями. Но какая бы технология ни применялась, точнейшая литография будет нужна для нее еще долгие годы, надеется ван ден Бринк.