Lewarowanie półprzewodnikami. Część 1
Urządzenia zawierające w sobie cyfrowe układy scalone w ciągu kilkudziesięciu lat zdominowały właściwie wszystkie sfery naszego życia. Nie będzie przesadą powiedzenie, że układy scalone w naszych smartfonach, komputerach osobistych, samochodach, urządzeniach AGD i RTV, serwerach, liniach produkcyjnych są cyfrowym mózgiem świata pierwszych dekad XXI wieku. Z ich rosnącą rolą w globalnej gospodarce nieuchronnie wiąże się zależność od podmiotów biorących udział w ich projektowaniu i produkcji. Bez mikroprocesorów nie są możliwe ani rozwój, ani handel, ani nawet funkcjonowanie nowoczesnego społeczeństwa, dlatego też supremacja technologiczna w dziedzinie wytwarzania układów scalonych stanowi potężny lewar na państwa zależne od ich dostaw.
W wojnie handlowej pomiędzy Stanami Zjednoczonymi a Chinami, której od kliku lat wszyscy jesteśmy świadkami, szczególną uwagę przykuwa embargo na transfer amerykańskiej technologii związanej z układami scalonymi oraz dostarczanie usług cyfrowego giganta Google. O konflikcie tym mogliśmy kilkakrotnie przeczytać również na łamach Strategy&Future w dziale „Weekly Brief”. W roli głównej pojawiała się tam również często mało znana szerszej publiczności holenderska firma ASML, której poświęciłem część artykułu. Przemysł układów scalonych ma fundamentalne miejsce w światowym łańcuchu dostaw wysoko zaawansowanych produktów, więc nietrudno zrozumieć, dlaczego Stany Zjednoczone zdecydowały się na tak radykalny krok dotyczący swobody transferu technologii. Znajomość tego rynku jest więc kluczowa, by lepiej poznać potencjał danego państwa na arenie międzynarodowej.
Tekst jest podzielony na dwie główne części: pierwsza z nich opisuje podstawy dzisiejszych układów scalonych oraz historię ich powstawania. Druga część jest bardziej zogniskowana na roli i potencjale danego państwa i wywodzących się z niego korporacji w łańcuchu dostaw układów scalonych.
Tranzystor – nanometrowa rewolucja
Zacznijmy jednak od samych początków współczesnej elektroniki. Każdy układ scalony składa się z milionów niezwykle małych elementów, które stanowią podstawową cegiełkę logiki opartej na bramkach cyfrowych. Cegiełką tą jest tranzystor – prawdopodobnie najważniejszy wynalazek XX wieku, który umożliwił całą rewolucję informacyjną. Dotychczas wyprodukowano trudną do wyobrażenia liczbę tranzystorów – szacunki mówią o ok. 13 tryliardach (tryliard to 1021). Jego podstawową funkcją jest, najprościej mówiąc, sterowanie napięciem pomiędzy dwoma wejściami (tzw. źródło i dren) za pomocą napięcia na trzecim wejściu (tzw. bramka), co stanowi fundament pod budowę dwuwartościowej logiki. Tranzystor został po raz pierwszy fizycznie skonstruowany w Stanach Zjednoczonych w latach 40. XX wieku w Bell Labs przez grupę badawczą prowadzoną przez Williama Schockleya i na pierwszy rzut oka przypominał kawałek błyszczącego minerału z przylutowanymi do niego drutami (rys. 1 A). Z biegiem lat nastąpił ogromny postęp, jeżeli chodzi o technologię i architekturę wytwarzanych tranzystorów. Obecnie ogromna większość tranzystorów to MOSFET-y (ang. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), które w porównaniu do pierwowzoru cechują się znaczącym spadkiem pobieranej mocy i podwyższeniem maksymalnej częstotliwości działania. Oprócz tego nastąpiła tak daleka miniaturyzacja tranzystorów, że dziś ich wielkość mierzy się w nanometrach (czyli 10−9m).
Układy tranzystorów umożliwiają skonstruowanie bramek logicznych (np. z czterech tranzystorów możemy otrzymać najbardziej uniwersalną bramkę logiczną not-AND) oraz komórki pamięci przechowującej jeden bit danych (pamięć typu SRAM potrzebuje sześciu tranzystorów). Dlatego aby otrzymywać większe gęstości pamięci oraz zdolności obliczeniowych, konieczne jest zmniejszenie tego podstawowego elementu układu scalonego, którym jest tranzystor. Na początku lat 70. gęstość upakowania tranzystorów wynosiła ok. 250 tranzystorów na 1 mm2 i gwałtownie rosła wraz z rozwojem technologii do naświetlania coraz mniejszych wzorów (do tego jeszcze wrócimy w dalszej części artykułu). To wtedy współzałożyciel Intela, Gordon Moore, wysnuł hipotezę, że wymiary przestrzenne tranzystora będą się zmniejszać każdego roku o połowę. Hipotezę tę znamy dziś pod nazwą prawo Moore’a, które z czasem aktualizowano, gdyż okazało się ono zbyt optymistyczne. Obserwując historyczne przełomy, widzimy, że wymiary tranzystora zmniejszają się o połowę średnio co dwa lata. Rysunek 2 przedstawia szerokość bramki tranzystora, która jest dobrym wskaźnikiem całkowitej jego wielkości, w latach 1970–2018. Miniaturyzacja widoczna na wykresie ma zaiste zapierające dech w piersiach tempo: wymiary tranzystora zmniejszyły się z kilkunastu mikrometrów do poziomu kilkunastu nanometrów, czyli o trzy rzędy wielkości (1000 razy)! Przekłada się to na wykładniczy wzrost mocy obliczeniowych układów scalonych o tych samych wymiarach. W tym miejscu warto wspomnieć o enigmatycznym systemie nazewnictwa procesów technologicznych tranzystorów takich jak 12 nm, 7 nm czy 5 nm.
Najkrócej mówiąc, nazwy tych procesów oddają wielkość elementarnych części produkowanych układów scalonych, jednak obecnie nie oznaczają już one realnych wymiarów tranzystora, a raczej są zabiegiem marketingowym. Dodatkowo, porównanie pomiędzy sobą tak samo nazwanych procesów różnych producentów może przyprawić o konfuzję, gdyż każdy z nich stosuje własny system nazewnictwa, który nie jest kompatybilny z innymi. Na przykład proces 7 nm Samsunga cechuje ok. 95 mln tranzystorów na 1 mm2, a ten sam Intela to 180 mln tranzystorów. Dla 3 nm producenci deklarują z kolei odpowiednio 170 oraz 520 mln tranzystorów na 1 mm2 [4]. Na sukces w tak konkurencyjnym i zależnym od innowacji przemyśle składa się, rzecz jasna, niezliczona liczba patentów z różnych dziedzin nauki: fizyki, optyki, chemii czy elektroniki. Sam proces produkcji składa się z kilkuset kroków, w których wykorzystywane są niezwykle różnorodne techniki i aparatura. Opisywanie poszczególnych kroków produkcyjnych wykracza daleko poza tematykę tego tekstu. Warto tu jednak opowiedzieć o jednym z najważniejszych procesów w produkcji każdego układu scalonego – fotolitografii. Jest to szczególnie istotne z uwagi na korporację, której historia zainspirowała mnie do napisania niniejszego artykułu, czyli ASML. Zajmuje się ona projektowaniem i produkcją maszyn do przemysłowego tworzenia układów scalonych, które sterują naszą najnowocześniejszą elektroniką.
Fotolitografia
Gdybyśmy spojrzeli na procesor bądź jakikolwiek inny układ scalony w dużym powiększeniu, ujrzelibyśmy skomplikowany system ścieżek metalicznych łączących ze sobą odpowiednie części materiału półprzewodnikowego. Do wytworzenia pełnej struktury procesora potrzebujemy całych pięter przeplatających się ścieżek i dolin. Zbudowanie takiej półprzewodnikowo-metalowej „wieży” umożliwia nam metoda zwana fotolitografią. Z greckiego fotolitografia znaczy dosłownie rzeźbienie światłem i źródłosłów ten bardzo dobrze oddaje, co tak naprawdę się dzieje w czasie tego procesu.
Proces rozpoczyna się nałożeniem światłoczułej emulsji zwanej fotorezystem na zadaną powierzchnię. Emulsja ta twardnieje po naświetleniu światłem UV, dzięki czemu selektywnie naświetlając powierzchnię przez odpowiednio przygotowaną maskę, otrzymujemy obszary utwardzone i zdegenerowane, które łatwo usunąć za pomocą odpowiednich związków chemicznych (rys. 3). Oczywiście, proces ten cechuje się skończoną rozdzielczością – nie możemy wytworzyć obrazu o dowolnie małych wymiarach. Rozdzielczość naświetlonych wzorów jest wprost proporcjonalna do długości fali światła, którą naświetlamy powierzchnię, tzn. im krótsza fala, tym dokładniejszy wzór będziemy w stanie uzyskać. W przemyśle półprzewodnikowym przez długi czas standardem było światło o długości 193 nm (ang. Deep Ultraviolet, w skrócie DUV) wytwarzane przez laser fluorowo-argonowy. Pozwalało ono na tworzenie wzorów o rozdzielczości ok. 35 nm przy zastosowaniu szeregu „trików” optycznych, które znacząco wydłużały i zwiększały koszty produkcji coraz mniejszych układów. Z pomocą przyszła osławiona EUV (ang. Extreme Ultraviolet), która z przytupem weszła do świata technologii za sprawą holenderskiej firmy ASML.
ASML bez dwóch zdań można nazwać perłą w koronie Niderlandów. Obecnie ma ona kapitalizację wynoszącą prawie 300 mld dolarów i szczyci się tytułem producenta najbardziej zaawansowanych maszyn do fotolitografii na świecie. Z jej maszyn korzysta m.in. tajwański TSMC – największy producent układów scalonych na świecie; jego udziały w rynku producentów układów scalonych wynoszą ok. 50% [5], koreański Samsung, amerykański Intel oraz chiński SMIC. Bez dwóch zdań jest to przedsiębiorstwo o prymarnym znaczeniu dla całego przemysłu wysokich technologii, mimo że laikowi pozostaje ono w dużej mierze nieznane. Dlaczego EUV, czyli fotolitografia wykorzystująca ekstremalnie krótkie promienie UV, jest tak wyjątkowa? Przede wszystkim dzięki swoim możliwościom tworzenia wzorów, które dzięki długości światła 13,5 nm (ponad 10 razy krótszego niż poprzednia generacja) mogą tworzyć niezwykle wydajne i zminiaturyzowane układy scalone. Obecnie za pomocą EUV produkuje się układy o rozdzielczości wynoszącej ok. 13 nm [6]. A i to nie jest ostatnie słowo tej technologii, gdyż jak donosi samo ASML, jest jeszcze pole do optymalizacji i będzie można zmniejszyć tę wielkość do 8 nm [7, 8]. EUV jest wyjątkowa również przez swoje skomplikowanie i to nawet jak na kosmicznie wysokie standardy przemysłu półprzewodnikowego. Wynika to w dużej mierze z bardzo krótkiej fali świetlnej, która jest efektywnie pochłaniana nawet przez kilkucentymetrową warstwę powietrza. Dlatego w układzie optycznym EUV zastąpiono klasyczne soczewki, które powodowałyby znaczący spadek mocy, zwierciadłami. Jak możemy się domyślać, nie są to pierwsze lepsze lustra, tylko niezwykle precyzyjnie wyprofilowane i wyszlifowane do granic możliwości dzisiejszej techniki tafle pokryte dodatkowo skomplikowanymi powłokami o tolerancji grubości całkowitej warstwy wynoszącej 0,5 nm, które zmniejszają straty wynikające z pochłaniania lasera [9]. Stabilna generacja światła o tej długości fali wymaga ogromnych zabiegów i przez wiele lat była wyzwaniem niepozwalającym przekroczyć limitu rozdzielczości zwykłego DUV [10].
ASML, mimo że jest bardzo dużą spółką, nie jest w stanie produkować od podstaw wszystkich elementów swoich układów, które byłyby najlepsze na świecie w tak konkurencyjnej i dochodowej branży. Konieczna jest w tym wypadku daleko posunięta specjalizacja oraz podjęcie kooperacji z innymi wielkimi graczami rynku półprzewodnikowego. Optykę do układów ASML dostarcza niemiecki Carl Zeiss, który prawdopodobnie jako jedyny na świecie posiada do tego odpowiedni know-how oraz jest w stanie zapewnić niezawodną powtarzalność procesu produkcji. Oprócz luster i soczewek Niemcy dostarczają również lasery (firma Trumpf) i urządzenia mikromechaniczne niezbędne do bardzo precyzyjnego operowania podłożami, z których produkuje się następnie układy scalone (dokładność musi być rzędu nanometrów). Gotowa maszyna waży ok. 160 ton i kosztuje ok. 120 mln dolarów [12], co jest zrozumiałe, jeśli się weźmie pod uwagę, że jest ona wypełniona najnowszą myślą inżynieryjną świata. Dlatego Niemcy oraz Niderlandy przez fakt posiadania unikalnych na skalę światową skumulowanych możliwości technologicznych są obecnie nieusuwalnymi graczami na rynku półprzewodników, chociaż same produkują bardzo niewiele gotowych układów scalonych. Oczywiście, w starszych technologiach fotolitografii istnieje spora konkurencja firm japońskich, chińskich czy amerykańskich, jednak to ASML, Zeiss i Trumpf dzierżą palmę pierwszeństwa, jeżeli chodzi o opanowanie technologii EUV na poziomie przemysłowym. Firmy te stanowią dzięki swojej unikalności wąskie gardło całego przemysłu – zdolności produkcyjne najnowszych układów są uzależnione od zdolności dostarczenia maszyn produkowanych przez te firmy. Obecnie układy produkowane w technologii EUV stanowią ok. 30% wszystkich wyprodukowanych układów. Na rynku wciąż jest duże zapotrzebowanie na starsze układy scalone, dlatego nie należy utożsamiać maszyn EUV z całym przemysłem półprzewodnikowym. Branża motoryzacyjna czy telekomunikacyjna znacznie wolniej przyjmuje najnowsze układy niż elektronika osobista, więc wciąż istnieje zapotrzebowanie na ogromną liczbę starszych układów, wytwarzanych w technologii DUV. Prawdą jest jednak również to, że w tej gałęzi przemysłu trwa nieustanny wyścig o nawet niewielkie, iteracyjne poprawy wydajności, miniaturyzacji czy energooszczędności, które dają pierwsze miejsce w hierarchii rozwoju technologicznego. Przemysł półprzewodnikowy to miliony utalentowanych ludzi, które rywalizują o coraz sprawniejsze architektury procesorów i lepsze procesy ich produkcji. Hasło „stojąc w miejscu, idziesz do tyłu” jest tu niezwykle trafione.
Branża półprzewodników jest być może najbardziej zglobalizowaną gałęzią przemysłu – do wyprodukowania każdego mikroprocesora wymagana jest współpraca korporacji ze wszystkich kontynentów, dlatego też łańcuchy dostaw są bardzo skomplikowane i podatne na zakłócenia. Dodatkowo pomimo usilnych starań żaden ze światowych graczy nie osiągnął w tej dziedzinie samodzielności oraz jednoznacznej supremacji. Taka technologiczna niepodległość połączona z globalnymi możliwościami produkcyjnymi byłaby bardzo poważnym lewarem nie tylko ekonomicznym, lecz również geostrategicznym, gdyż pozwoliłaby na kontrolę rozwoju danego państwa. Obecnie istnieje zacięta rywalizacja pomiędzy mocarstwami (oraz państwami z ogromnym udziałem wysokich technologii w PKB, takimi jak Korea Południowa czy Tajwan) o technologiczną niezależność i jak największą wynalazczość. Gdzie na tej zawiłej mapie leżą Europa, Ameryka Północna i Azja? Na to pytanie odpowiemy sobie w kolejnej części artykułu.
Źródła i materiały:
[1] https://commons.wikimedia.org/ wiki/Category:Transistors#/media/File:1st-Transistor.jpg
[2] IEEE Spectrum, The last silicon transistor: Nanosheet devices could be the final evolutionary step for Moore’s Law, Volume 56, Issue 8, Aug. 2019
[3] Nature, Multigate transistors as the future of classical metal–oxide–semiconductor field-effect transistors,Vol. 479, p. 310-316, November 2011
[4] https://www.digitimes.com/news/a20210713VL201.html
[5] https://www.statista.com/statistics/867223/worldwide-semiconductor-foundries-by-market-share/
[6] https://www.laserfocusworld.com/blogs/article/14039015/how-does-the-laser-technology-in-euv-lithography-work
[7] https://inf.news/en/tech/b0d85c5aeb39e1c4f45d1f7a1c1931f3.html
[8] https://www.asml.com/en/investors/investor-days/2021 (prezentacja o tytule Buissness Line EUV)
[9] https://www.laserfocusworld.com/blogs/article/14039015/how-does-the-laser-technology-in-euv-lithography-work
[10] Więcej o tym zagadnieniu w bardzo przystępnej formie można znaleźć na oficjalnych kanałach ASML, Carla Zeissa i TRUMPFA na serwisie YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=wI6nCmG-PpI&ab_channel=ASML, https://www.youtube.com/watch?v=NHSR6AHNiDs&ab_channel=TRUMPFtube, https://www.youtube.com/watch?v=z6c3vzIGo9o&ab_channel=ZEISSGroup
[11] https://www.wired.com/story/asml-extreme-ultraviolet-lithography-chips-moores-law/
[12] https://www.brookings.edu/techstream/the-chip-making-machine-at-the-center-of-chinese-dual-use-concerns/
