Wiosną 2026 roku Musk oficjalnie ujawnił plan produkcji układów scalonych TeraFab. Jego uzasadnienie było proste: SpaceX i Tesla będą w przyszłości potrzebować co najmniej 1 terawata mocy obliczeniowej, a skala ta przekracza 10-krotnie obecną globalną zdolność produkcyjną układów scalonych.
Następnie w tym samym miesiącu wydawał się stawiać jeszcze większy zakład: wejście w branżę litografii.
01 TeraFab, celuje w litografię
Niektóry bloger opublikował wiadomość, że z informacji podanych przez TeraFab wynika, iż Elon Musk wydaje się zmierzać w kierunku FEL (Free Electron Laser: laser na swobodnych elektronach), aby przełamać monopol tradycyjnego EUV.
Sam Musk później opublikował na platformie społecznościowej wpis „FEL FTW” (FEL zwycięży), co zostało odebrane przez obserwatorów jako pośrednie potwierdzenie tych spekulacji. W połączeniu z wydłużonym projektem fabryki TeraFab i deklaracjami Muska, technologia FEL stała się obecnie najpopularniejszym kierunkiem spekulacji. Zgodnie z wcześniejszymi planami, TeraFab ma stworzyć zintegrowaną bazę produkcyjną układów scalonych, produkującą zarówno układy logiczne, jak i pamięci, oraz integrującą w jednej fabryce etapy litografii, montażu i testowania.
Co ciekawe, w lipcu ubiegłego roku startup półprzewodnikowy xLight ogłosił zakończenie nadsubskrybowanej rundy finansowania serii B o wartości 40 milionów dolarów. Środki te zostaną przeznaczone głównie na badania i rozwój FEL, a celem jest przełamanie fizycznych ograniczeń obecnej technologii litografii EUV i zapewnienie kluczowego wsparcia źródła światła dla masowej produkcji układów w procesie 2 nm i bardziej zaawansowanych. Warto zauważyć, że w marcu ubiegłego roku były dyrektor generalny Intela, Pat Gelsinger, opublikował na LinkedIn wpis, w którym poinformował, że dołączył do xLight jako prezes wykonawczy.
Nagle cechy samej technologii FEL wywołały gorącą dyskusję w branży.
02 FEL, alternatywne rozwiązanie dla EUV
W całym łańcuchu dostaw układów AI, holenderski ASML jest obecnie jedyną firmą na świecie zdolną do produkcji sprzętu EUV, zajmując ponad 90% udziału w rynku sprzętu litograficznego.
Ich litograf EUV wykorzystuje źródło światła EUV z plazmy laserowej (LPP). Zasada działania polega na bombardowaniu kropel ciekłej cyny, wypływających z dyszy z prędkością 50 000 kropli na sekundę, laserem dwutlenku węgla o mocy 30 kW. Każda kropla jest bombardowana dwukrotnie (co wymaga 100 000 impulsów laserowych na sekundę), odparowując je do plazmy. Poprzez przejścia między poziomami energetycznymi wysoko zjonizowanych jonów cyny uzyskuje się światło EUV o długości fali 13,5 nm.
Technologia LPP, choć umożliwiła komercjalizację litografii EUV, ma swoje nieodłączne ograniczenia fizyczne, które wraz z postępem procesu technologicznego stają się coraz bardziej widoczne.
Po pierwsze, bariera wydajności konwersji energii. W powyższym wyjaśnieniu kluczowe jest słowo: długość fali 13,5 nm. Oznacza to, że w porównaniu z używanym obecnie w głównym nurcie litografii DUV źródłem światła o długości 193 nm, źródło EUV jest piętnastokrotnie krótsze, co pozwala na wycinanie mniejszych kanałów na płytce krzemowej. Obecnie ASML wykorzystuje głównie lasery dwutlenku węgla amerykańskiej firmy Cymer do wzbudzania plazmy cynowej i generowania światła ekstremalnie ultrafioletowego o długości 13,5 nm. Wydajność konwersji lasera na plazmę cyny wynosi 5,5%, a biorąc pod uwagę sprawność elektrooptyczną samego lasera CO2 wynoszącą około 10% oraz straty w lustrach zbierających, rzeczywiste wykorzystanie światła EUV od sieci do płytki wynosi zwykle mniej niż 0,5%.
Po drugie, zanieczyszczenie odłamkami cyny. Podczas generowania plazmy szybko rozpylane jony cyny i neutralne odłamki osadzają się na niezwykle drogich lustrach wielowarstwowych, co prowadzi do spadku współczynnika odbicia i skrócenia żywotności.
Po trzecie, sufit mocy. Obecne źródła LPP-EUV osiągają maksymalną moc EUV około 600 W. Jednak aby sprostać wymaganiom produkcji w węźle 2 nm i poniżej, wymagana moc EUV musi przekraczać 1,5 kW. Obecnie EUV o mocy 500-600 W opiera się głównie na wielokrotnej ekspozycji w celu akumulacji dawki fotonów, aby zrekompensować niedobór mocy źródła.
W lutym tego roku ASML ogłosił, że planuje do 2030 roku wprowadzić nowy system źródła światła o mocy do 1000 W, aby zwiększyć wydajność produkcyjną litografów EUV o wysokiej aperturze numerycznej (High-NA) o 50%. Do 2030 roku wydajność przetwarzania płytek pojedynczego urządzenia EUV wzrośnie z 220 do 330 płytek na godzinę.
W porównaniu z technologią LPP, FEL nie opiera się na konwersji plazmowej. FEL, czyli laser na swobodnych elektronach, to cały system źródła światła, w którym działo elektronowe emituje początkową wiązkę elektronów, która jest przyspieszana do prędkości bliskiej prędkości światła przez akcelerator liniowy (w zaawansowanych rozwiązaniach często nadprzewodzący akcelerator liniowy). Gęsta wiązka elektronów w stanie relatywistycznym wchodzi do undulatora złożonego z okresowo zmiennego pola magnetycznego. Elektrony pod wpływem pola magnetycznego wykonują okresowe ruchy poprzeczne i emitują promieniowanie spontaniczne; pole promieniowania moduluje wiązkę elektronów, powodując tworzenie mikro-grup o okresie równym długości fali promieniowania. Elektrony w mikro-grupach emitują promieniowanie koherentne, które ulega wzmocnieniu w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, a intensywność promieniowania rośnie wykładniczo; przy użyciu technik takich jak wstrzykiwanie sygnału, system może ostatecznie wygenerować wiązkę EUV o stabilnej długości fali.
Dlatego długość fali światła ekstremalnie ultrafioletowego generowanego przez FEL jest uważana za kandydata do następnej generacji litografii. Ten zakres długości fal jest krótszy niż obecna długość fali EUV 13,5 nm i zbliża się do zakresu miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Według publicznie dostępnych informacji, celem technologicznym xLight jest precyzyjne strojenie w zakresie Blue-X (zwanym również „poza EUV”) o długości fali 2–7 nm.
Ponadto w całej ścieżce optycznej nie ma procesu bombardowania kropli ciekłej cyny ani rozpylania plazmy, więc w komorze próżniowej nie osadzają się metaliczne odłamki. Źródło EUV-FEL może również generować wysoką moc EUV przekraczającą 10 kW, co pozwala na zasilanie 10 litografów EUV mocą ponad 1000 W każdy, bez zanieczyszczania luster Mo/Si cyną.
03 Czy zasady gry w litografii zostały zmienione?
Zdejmując skorupę przemysłu litograficznego, można dostrzec trzy wyraźne ścieżki technologiczne: stopniową iterację EUV, innowacje w źródłach światła EUV oraz alternatywne rozwiązania nie-EUV. Te trzy istnieją równolegle, ale iteracja EUV pozostaje absolutnym liderem, a dwie pozostałe są bardziej jak „zmienne posunięcia” w grze.
Pierwszy obóz: stopniowa iteracja ASML, wciąż absolutny lider.
ASML nadal mocno kontroluje główny tor wyścigu. W pierwszym kwartale tego roku sprzedaż netto wyniosła 8,8 miliarda euro, a zysk netto 2,8 miliarda euro; w drugim kwartale całkowita sprzedaż netto wyniosła 9,326 miliarda euro, a zysk netto 2,918 miliarda euro. Jednocześnie ASML po raz drugi w roku znacząco podniósł prognozę wyników na cały rok, zwiększając prognozę sprzedaży na 2026 rok do 43–45 miliardów euro.
Jako najbardziej kluczowy producent sprzętu litograficznego w górnym biegu produkcji płytek, gwałtowny wzrost wyników ASML odzwierciedla wyścig zbrojeń, który ma miejsce w całym przemyśle technologicznym. Wśród nich Amazon, Google, Microsoft i inne giganty inwestują setki miliardów dolarów w infrastrukturę, co wywołuje ogromny popyt na zaawansowane układy AI w dolnym biegu, a fabryki płytek, w tym logika i pamięć, przyspieszają rozbudowę, co prowadzi do zaostrzenia popytu na litografy.
Ekspansja mocy produkcyjnych jest również agresywna. Firma planuje, w oparciu o plan produkcji około 65 urządzeń EUV o niskiej aperturze numerycznej (Low NA) w 2026 roku, zwiększyć moce produkcyjne o 30% w 2027 roku i rozważa dalsze zwiększenie o 30% w 2028 roku. Jednocześnie planuje, w oparciu o plan produkcji około 130 immersyjnych urządzeń DUV w 2026 roku, zwiększyć moce produkcyjne o 30% w 2027 roku i rozważa dalsze zwiększenie o 30% w 2028 roku.
High-NA EUV (litograf ekstremalnie ultrafioletowy o wysokiej aperturze numerycznej) to następny „atut” ASML. Wykorzystuje on układ optyczny o aperturze numerycznej 0,55, osiąga rozdzielczość 8 nm, obsługuje procesy technologiczne 3 nm i poniżej oraz zapewnia rezerwę technologiczną dla węzła 1 nm. Urządzenie to dzięki pojedynczej ekspozycji zwiększa precyzję trawienia obwodów 1,7-krotnie, poprawia kontrast obrazu o 40%, a gęstość tranzystorów osiąga 2,9-krotność poprzedniej generacji, skutecznie zmniejszając zużycie energii i zwiększając szybkość obliczeń.
Jednak ze względu na koszt pojedynczego urządzenia High-NA EUV wynoszący około 400 milionów dolarów, czyli prawie dwukrotnie więcej niż tradycyjny litograf EUV, oraz niezwykle wysoką trudność techniczną integracji z linią produkcyjną, zastosowanie High-NA EUV nie jest zbyt pomyślne. Zhang Xiaoqiang, starszy wiceprezes i zastępca współdyrektora generalnego ds. rozwoju biznesu i operacji globalnych TSMC, powiedział dziennikarzom na konferencji prasowej przed dorocznym forum technologicznym, że firma obecnie nie planuje wdrażać urządzeń High-NA EUV zaprojektowanych przez ASML specjalnie dla procesorów następnej generacji.
Drugi obóz: innowacje w źródłach światła – precyzyjne uderzenie w „serce” ASML.
To jest trasa FEL, którą wybrali TeraFab i xLight Muska. Nie rzucają bezpośredniego wyzwania dominacji ASML w zakresie kompletnych systemów optycznych, ale szukają przełomu w zakresie źródła światła. Oznacza to, że producenci chipów nie muszą wymieniać na dużą skalę istniejącego sprzętu, takiego jak litografia, trawienie, osadzanie czy kontrola, a jedynie wymienić system źródła światła, aby uzyskać znaczną poprawę wydajności i kosztów – ta ścieżka modernizacji typu „podłącz i graj” jest niezwykle atrakcyjna dla fabryk wafli.
xLight twierdzi, że jego system FEL ma ponad 4-krotnie większą moc niż istniejące systemy. Wdrożenie xLight FEL w istniejących amerykańskich fabrykach wafli może zwiększyć wydajność produkcji o 50% i wyeliminować zapotrzebowanie na materiały eksploatacyjne, takie jak cyna czy wodór; natomiast w nowych fabrykach wafli wdrożenie xLight FEL może zwiększyć wydajność produkcji o 100%. Umożliwi to producentom wytwarzanie chipów o mniejszych wymiarach charakterystycznych i wyższej wydajności, rozszerzając w ten sposób technologię litografii nowej generacji.
Jeśli źródło światła można wymienić niezależnie, siła przetargowa ASML zostanie strukturalnie osłabiona. Warto jednak zauważyć, że ASML rozważało już trasę FEL EUV dziesięć lat temu, ale ostatecznie uznało ją za zbyt ryzykowną i wybrało LPP EUV. Dlatego też, czy problem masowej produkcji FEL zostanie rozwiązany i kiedy, może wymagać dalszych badań.
Ponadto istnieją inne trasy źródeł światła. Na przykład założony w 2022 roku startup z San Francisco Substrate wybrał ścieżkę litografii rentgenowskiej opartą na akceleratorze cząstek. Chiny również rozwijają własną technologię źródła EUV. Według publicznych informacji, wiele krajowych zespołów bada różne ścieżki technologiczne, w tym inżynierię wsteczną istniejącej technologii LPP, z celem osiągnięcia przełomu w latach 2028–2030.
Wśród nich instytucje takie jak Harbin Institute of Technology próbują opracować schemat litografii oparty na plazmie wyładowczej indukowanej laserem (LDP). Zasada polega na odparowaniu cyny między elektrodami, a następnie wzbudzeniu plazmy przez wyładowanie wysokiego napięcia. Struktura jest prostsza niż LPP i zajmuje mniej miejsca, ale gęstość mocy emisji jest ograniczona i pozostaje wątpliwe, czy może wspierać masową produkcję.
Trzecia frakcja: niekonwencjonalne rozwiązania całkowicie omijające EUV, rozwijają się w cieniu.
Nanoimprint lithography (NIL) jest jedną z najszybciej rozwijających się komercyjnie. Poprzez bezpośrednie odciskanie wzorów za pomocą fizycznego szablonu, NIL nie wymaga skomplikowanych systemów optycznych ani źródeł światła, a koszty sprzętu i zużycie energii są znacznie niższe niż w przypadku EUV. Japoński producent Canon już promuje zastosowanie NIL w produkcji masowej w segmencie chipów pamięci. Chociaż rozdzielczość nie może konkurować z High-NA EUV, NIL już wykazuje konkurencyjność kosztową na rynku chipów pamięci, gdzie wymagania dotyczące szerokości linii są stosunkowo luźne.
Elektron beam direct write (EBL) podąża zupełnie inną ścieżką. Litografia wiązką elektronów jest zasadniczo techniką bezpośredniego zapisu, wykorzystującą skupioną wiązkę elektronów do punktowego naświetlania fotorezystu, precyzyjnie rysując wzory za pomocą kontroli elektromagnetycznej. Ta metoda nie wymaga maski, co jest bardzo korzystne na etapie badawczo-rozwojowym, gdzie projekty są często modyfikowane, szczególnie odpowiednia do zastosowań takich jak urządzenia kwantowe, nowe struktury materiałowe, chipy prototypowe i produkcja masek.
Jednak do tej pory litografia wiązką elektronów przez długi czas istniała w dziedzinie badań naukowych i zastosowań na małą skalę. Powodem nie jest rozdzielczość, ale wydajność. Bezpośredni zapis wiązką elektronów jest procesem szeregowym; nawet jeśli precyzja pojedynczego punktu jest wysoka, ogólna przepustowość pozostaje ograniczona, co jest nie do przyjęcia w produkcji masowej na poziomie wafla. Jednak na etapie badawczo-rozwojowym ta „powolna” cecha zapewnia niezwykłą elastyczność. Dla zespołów badawczych, które muszą wielokrotnie modyfikować układ, weryfikować modele fizyczne lub badać nowe struktury urządzeń, pominięcie procesu wytwarzania masek jest często ważniejsze niż zwiększenie szybkości naświetlania.
Obecnie EUV coraz bardziej przypomina weterana, który biega od dawna. Ograniczenia techniczne są prawdziwe, ale prawdziwa jest również sieć ekologiczna, którą ASML utkał wokół niego przez dwadzieścia lat. Nowi gracze chcący wejść na boisko nie mogą polegać tylko na tym, że sami biegają szybko – muszą sprawić, aby cała trasa zmieniła zasady gry dla nich.
Plan TeraFab Muska to w istocie wielki zakład: że FEL przejdzie z laboratorium do fabryki wafli, że wymiana źródła światła typu „podłącz i graj” obejdzie bariery patentowe ASML, i że zapotrzebowanie na 1 terawat mocy obliczeniowej wystarczy, aby wesprzeć zupełnie nowy łańcuch dostaw.
Jak powinna rozwijać się technologia litografii nowej generacji, odpowiedź może nie być odległa. Ale jedno jest pewne – kiedy Musk umieścił „FEL FTW” na platformie społecznościowej, biznes maszyn litograficznych przestał być grą tylko ASML.
Ten artykuł pochodzi z publicznego konta WeChat „半导体产业纵横” (ID: ICViews), autor: Feng Ning
