Весной 2026 года Маск официально представил план по производству чипов TeraFab. Его причина была проста: SpaceX и Tesla в будущем потребуют не менее 1 тераватта вычислительной мощности, что более чем в 10 раз превышает текущие глобальные возможности производства чипов.
Затем в этом месяце он, казалось, сделал еще более крупную ставку: занялся литографическим оборудованием.
01 TeraFab, нацелился на литографическое оборудование
Некоторые блогеры сообщили, что, судя по сообщениям TeraFab, Илон Маск, похоже, собирается пойти по пути FEL (Free electron laser: лазер на свободных электронах), чтобы разрушить монополию традиционного EUV.
Сам Маск позже опубликовал в социальных сетях сообщение «FEL FTW» (FEL побеждает), что было воспринято как косвенное подтверждение этого предположения. Учитывая удлиненный дизайн заводского здания TeraFab и заявления Маска, технологический маршрут FEL стал самым популярным направлением для предположений. Согласно предыдущим планам, TeraFab создаст интегрированную базу по производству чипов, одновременно производя логические и запоминающие чипы, а также интегрируя все этапы, такие как литография, упаковка и тестирование, в один и тот же завод.
Не случайно в июле прошлого года полупроводниковый стартап xLight объявил о завершении раунда финансирования серии B на сумму 40 миллионов долларов с переподпиской. Это финансирование будет в основном направлено на исследования и разработки FEL, с целью преодоления физических ограничений существующей технологии EUV-литографии и предоставления ключевой поддержки источников света для массового производства чипов по техпроцессам 2 нм и более продвинутым. Стоит отметить, что в марте прошлого года бывший генеральный директор Intel Пэт Гелсингер опубликовал сообщение в LinkedIn, в котором заявил, что присоединился к xLight в качестве исполнительного председателя.
Внезапно характеристики самой технологии FEL вызвали оживленные дискуссии в отрасли.
02 FEL, другое решение для EUV
Во всей цепочке поставок ИИ-чипов голландская компания ASML в настоящее время является единственной в мире компанией, способной производить оборудование EUV, занимая более 90% доли рынка литографического оборудования.
EUV-литографическая машина этой компании использует лазерно-плазменный источник EUV-света (LPP), принцип которого заключается в бомбардировке капель олова, выбрасываемых из сопла со скоростью 50 000 капель в секунду, с помощью CO2-лазера мощностью 30 кВт, каждая капля подвергается двум ударам (то есть требуется 100 000 лазерных импульсов в секунду), испаряя их в плазму, и получая EUV-свет с длиной волны 13,5 нм за счет переходов между энергетическими уровнями высокозарядных ионов олова.
Хотя технология LPP обеспечила коммерциализацию EUV-литографии, ее неотъемлемые физические ограничения ускоряются с развитием техпроцессов.
Во-первых, узкое место в эффективности преобразования энергии. В приведенном выше объяснении есть ключевое слово: длина волны 13,5 нм. Это означает, что по сравнению с источником света 193 нм, используемым в современных DUV-литографических машинах, источник EUV составляет лишь одну пятнадцатую, что позволяет вытравливать более мелкие каналы на кремниевой пластине. В настоящее время ASML в основном использует CO2-лазеры американской компании Cymer для возбуждения оловянной плазмы и генерации экстремального ультрафиолетового света с длиной волны 13,5 нм. Эффективность преобразования от лазера к оловянной плазме достигает 5,5%, а с учетом собственной электрооптической эффективности CO2-лазера около 10% и потерь при передаче через собирающее зеркало, фактическая эффективность использования EUV-света от сети до пластины обычно составляет менее 0,5%.
Во-вторых, загрязнение оловянными осколками. В процессе генерации плазмы быстро распыляемые ионы олова и нейтральные осколки непрерывно осаждаются на поверхности чрезвычайно дорогих многослойных собирающих зеркал, что приводит к снижению отражательной способности и сокращению срока службы.
В-третьих, потолок мощности. В настоящее время источник LPP-EUV достиг максимальной мощности EUV около 600 Вт. Однако для удовлетворения потребностей производства на узлах 2 нм и ниже требуемая мощность EUV должна превышать 1,5 кВт. На данном этапе EUV мощностью 500-600 Вт в основном полагается на многократное экспонирование для накопления дозы фотонов, чтобы компенсировать недостаток мощности источника.
В феврале этого года ASML объявила, что планирует к 2030 году повысить производительность следующего поколения EUV-литографических машин с высокой числовой апертурой на 50% за счет внедрения совершенно новой системы источника света мощностью до 1000 Вт. К 2030 году производительность обработки пластин на одном EUV-устройстве увеличится с 220 пластин в час до 330 пластин.
По сравнению с технологией LPP, FEL не зависит от преобразования плазмы. FEL, полное название которого — лазер на свободных электронах, вся система источника света состоит из электронной пушки, испускающей начальный электронный пучок, который ускоряется до почти скорости света с помощью линейного ускорителя (в передовых решениях часто используется сверхпроводящий линейный ускоритель). Высокоплотный электронный пучок в релятивистском состоянии входит в ондулятор, состоящий из периодически изменяющегося магнитного поля. Электроны совершают поперечные периодические колебания под действием магнитного поля и генерируют спонтанное излучение; поле излучения непрерывно модулирует электронный пучок, заставляя электроны формировать микросгустки с периодом, равным длине волны излучения. Микросгустки электронов генерируют когерентное излучение и образуют положительную обратную связь, при этом интенсивность излучения экспоненциально усиливается; с помощью таких методов, как инжекция затравки, система может в конечном итоге выводить стабильный по длине волны пучок EUV.
Таким образом, длина волны экстремального ультрафиолетового света, генерируемого FEL, считается кандидатом для следующего поколения литографии. Этот диапазон короче, чем текущая длина волны EUV 13,5 нм, и близок к диапазону мягкого рентгеновского излучения. Согласно публичной информации, техническая цель xLight — точная настройка в диапазоне Blue-X от 2 до 7 нм (также называемом диапазоном «за пределами EUV»).
Кроме того, во всей оптической трассе отсутствует процесс бомбардировки капель олова и распыления плазмы, и в вакуумной камере оптической трассы не происходит осаждения металлических осколков. Источник EUV-FEL также может генерировать высокую мощность EUV более 10 кВт, и он может одновременно обеспечивать более 1000 Вт мощности EUV для 10 EUV-литографических машин без загрязнения оловом зеркал Mo/Si.
03 Правила игры в литографии, изменены?
Если снять оболочку литографической отрасли, можно увидеть три четкие технологические траектории: постепенная итерация EUV, инновация источника света EUV и альтернативные решения, не связанные с EUV. Все три сосуществуют, но итерация EUV остается абсолютным главным героем, а два других больше похожи на «неожиданные ходы» в шахматной партии.
Первый лагерь: постепенная итерация ASML, по-прежнему абсолютный главный герой.
ASML по-прежнему прочно контролирует основной рынок. В первом квартале этого года чистый объем продаж составил 8,8 миллиарда евро, чистая прибыль — 2,8 миллиарда евро; во втором квартале общий чистый объем продаж составил 9,326 миллиарда евро, чистая прибыль — 2,918 миллиарда евро. В то же время ASML во второй раз за год значительно повысила годовой прогноз по выручке, увеличив прогноз продаж на 2026 год до 43-45 миллиардов евро.
Как производитель литографического оборудования, наиболее важного в верхнем звене производства пластин, резкий рост выручки ASML отражает гонку вооружений, происходящую во всей технологической отрасли. Среди них Amazon, Google, Microsoft и другие гиганты вкладывают сотни миллиардов долларов в инфраструктуру, что вызывает огромный спрос на высокопроизводительные ИИ-чипы в нижнем звене, включая логические и запоминающие устройства, ускоряя расширение фабрик и доводя спрос на литографическое оборудование до точки кипения.
Расширение мощностей также агрессивно. Компания планирует на основе плана производства около 65 EUV с низкой числовой апертурой (Low NA) в 2026 году увеличить мощности на 30% в 2027 году и изучает возможность дальнейшего увеличения мощностей на 30% в 2028 году. Кроме того, планируется на основе плана производства около 130 иммерсионных DUV в 2026 году увеличить мощности на 30% в 2027 году и изучает возможность дальнейшего увеличения мощностей на 30% в 2028 году.
High-NA EUV (экстремальная ультрафиолетовая литографическая машина с высокой числовой апертурой) — следующий «козырь» ASML. Она использует оптическую систему с числовой апертурой 0,55, обеспечивает разрешение 8 нм, поддерживает техпроцессы 3 нм и ниже, а также обеспечивает технологический задел для узла 1 нм. Это устройство повышает точность травления схем в 1,7 раза за счет однократного экспонирования, увеличивает контраст изображения на 40%, а плотность транзисторов достигает 2,9 раза по сравнению с предыдущим поколением систем, эффективно снижая энергопотребление чипов и повышая скорость вычислений.
Однако, поскольку стоимость одного устройства High-NA EUV составляет около 400 миллионов долларов, что почти вдвое превышает стоимость традиционной EUV-литографической машины, и интеграция в производственную линию сопряжена с чрезвычайно высокими техническими сложностями, применение High-NA EUV не очень успешно. Чжан Сяоцян, старший вице-президент по развитию бизнеса и глобальным операциям и заместитель со-генерального директора TSMC, сообщил журналистам на пресс-конференции перед ежегодным технологическим форумом, что компания в настоящее время не планирует развертывать оборудование High-NA EUV, специально разработанное ASML для процессоров следующего поколения.
Второй лагерь: инновация источника света — точный удар в «сердце» ASML.
Это и есть маршрут FEL, выбранный Маском, TeraFab и xLight. Не бросая прямого вызова доминированию ASML в области оптических систем, они ищут прорыв в звене источника света. Это означает, что производителям чипов не нужно массово заменять существующее оборудование для литографии, травления, осаждения, контроля и т.д., достаточно заменить только систему источника света, чтобы получить значительное улучшение производительности и снижение затрат — такой путь модернизации «подключи и работай» крайне привлекателен для фабрик.
xLight утверждает, что мощность его системы FEL более чем в 4 раза превышает мощность существующих систем. Развертывание xLight FEL на существующих фабриках в США может повысить эффективность производства на 50% и устранить потребность в расходных материалах, таких как олово или водород; а на новых фабриках развертывание xLight FEL может повысить эффективность производства на 100%. Это позволит производителям создавать чипы с меньшими размерами элементов и более высокой эффективностью, расширяя тем самым технологию литографии следующего поколения.
Если источник света можно заменить независимо, переговорная сила ASML будет структурно ослаблена. Но стоит отметить, что ASML рассматривала маршрут FEL EUV еще десять лет назад, но в итоге сочла его слишком рискованным и выбрала LPP EUV. Поэтому вопрос о том, можно ли преодолеть проблемы массового производства FEL и когда это произойдет, возможно, потребует времени для изучения.
Кроме того, существуют и другие маршруты источников света. Например, стартап из Сан-Франциско Substrate, основанный в 2022 году, выбрал путь рентгеновской литографии на основе ускорителя частиц. Китай также продвигает собственную технологию EUV-источников. Согласно открытым источникам, несколько отечественных команд исследуют различные технические пути, включая обратную разработку существующей технологии LPP, с целью достижения прорыва в период с 2028 по 2030 год.
Среди них такие организации, как Харбинский политехнический университет, пытаются разработать схему литографии на основе лазерно-индуцированной плазмы разряда (LDP). Принцип заключается в испарении олова между электродами и возбуждении плазмы высоковольтным разрядом. Структура проще, чем у LPP, и занимает меньше места, но плотность мощности излучения ограничена, и остается вопрос, сможет ли она поддерживать массовое производство.
Третий лагерь: нетрадиционные схемы, полностью обходящие EUV, развиваются в тени.
Нанопечатная литография (NIL) — одна из наиболее быстро коммерциализируемых. Используя физический шаблон для прямого тиснения рисунка, NIL не требует сложных оптических систем и источников света, а стоимость оборудования и энергопотребление значительно ниже, чем у EUV. Японский производитель Canon уже продвигает массовое применение NIL в области чипов памяти. Хотя разрешение пока не может конкурировать с High-NA EUV, на рынке памяти, где требования к ширине линий относительно мягкие, NIL уже демонстрирует конкурентоспособность по стоимости.
Электронно-лучевая литография (EBL) идет совершенно иным путем. Электронно-лучевая литография по сути является технологией прямой записи: сфокусированный электронный пучок экспонирует резист по точкам, точно рисуя рисунок с помощью электромагнитного управления. Этот метод не требует маски, что очень выгодно на этапе разработки с частыми итерациями дизайна, особенно подходит для квантовых устройств, новых материалов, прототипов чипов и изготовления масок.
Но до сих пор электронно-лучевая литография долгое время существовала в научных исследованиях и мелкосерийных применениях. Причина не в разрешении, а в эффективности. Электронно-лучевая запись является последовательной экспозицией: даже если точность каждой точки высока, общая пропускная способность ограничена, что неприемлемо для массового производства на уровне пластин. Однако на этапе разработки эта «медлительность» дает взамен чрезвычайную гибкость. Для исследовательских групп, которым нужно многократно изменять топологию, проверять физические модели или исследовать новые структуры устройств, отказ от процесса изготовления масок часто важнее, чем увеличение скорости экспонирования.
Сегодня EUV все больше похож на ветерана, который долго бежал. Технические ограничения реальны, но и экосистема, которую ASML плел вокруг него двадцать лет, тоже реальна. Новым игрокам, чтобы выйти на поле, недостаточно просто бежать быстро — нужно, чтобы вся трасса изменила правила под них.
План TeraFab Маска по сути является большой ставкой: ставка на то, что FEL сможет перейти из лаборатории на фабрики, что замена источника света «подключи и работай» сможет обойти патентные барьеры ASML, и что потребность в 1 тераватт вычислительной мощности достаточна для поддержки совершенно новой цепочки поставок.
Как будет развиваться технология литографии следующего поколения, ответ, возможно, не за горами. Но можно быть уверенным: когда Маск написал «FEL FTW» в соцсетях, бизнес литографических машин перестал быть игрой одного ASML.
Эта статья из публичного аккаунта WeChat «Полупроводниковая промышленность во всех направлениях» (ID: ICViews), автор: Фэн Нин
