Kina innfører EUV mye raskere enn forventet

Kinesisk EUV-prototype ankommer tidlig

Etter hvert som databehandlingsteknikkene ble bedre, ble det oppfunnet flere og flere avanserte brikker. Den nyeste generasjonen av 3nm- og 2nm-noder er så små at den normale lysbølgelengden rett og slett er for stor til å pålitelig kunne mønstre funksjoner i denne skalaen.

Dette er ikke nytt, ettersom industrien lenge har brukt DUV-lys (Deep UltraViolet) til å utføre litografi på silisiumskiver. Men for å nå den nanoskopiske skalaen til de mest avanserte brikkedesignene, var det nødvendig med en lyskilde med enda kortere bølgelengde.

Denne lyskilden og litografimetoden kalles EUV (Extreme UltraViolet).

kilde: Zeiss

Frem til nå var EUV monopolet til det nederlandske selskapet ASML (ASML ), den eneste produsenten av EUV-litografimaskiner i verden.

I 2019 ble TSMCs 7nm-nodebrikker laget med den første EUV-prosessen, og leverte dermed store mengder produkter til markedet.

Kontroll over tilgang til EUV-teknologi har vært sentralt i amerikanske sanksjoner mot Kinas halvlederindustri. Så langt tilbake som i 2018 begynte USA å presse Nederland til å blokkere ASML fra å selge EUV-maskiner, relaterte komponenter og vedlikeholdstjenester.

Tanken var at det å begrense EUV-tilgang ville bremse Kinas evne til å produsere banebrytende brikker, og i tillegg til begrensninger på eksport av avanserte AI-akseleratorer, hjelpe USA med å opprettholde et forsprang i AI-kappløpet.

Bortsett fra at det nå ser ut til at Kinas press for halvlederuavhengighet har akselerert under press, og Reuters melder at Kina har ferdigstilt en prototype av en EUV-maskinHvis utviklingen går som planlagt, kan produksjonen av brikker begynne så tidlig som i 2028, med en økning i produksjonen derfra.

Ikke bare kan dette komplisere vestlige forsøk på å begrense Kinas tilgang til ledende produksjon, men det kan også representere en langsiktig trussel mot den vestlig-sentriske forsyningskjeden for halvledere – og det kommer flere år tidligere enn selv mange Kina-optimistiske analytikere forventet.

«I april sa ASMLs administrerende direktør Christophe Fouquet at Kina ville trenge 'mange, mange år' for å utvikle slik teknologi.»

«Men eksistensen av denne prototypen, som Reuters rapporterte for første gang, antyder at Kina kan være år nærmere å oppnå halvlederuavhengighet enn analytikerne forventet.»

Hvordan EUV-litografi faktisk fungerer

Det som gjør EUV så unik – og hvorfor det forble et ASML-monopol i mange år – er at EUV ikke bare er én teknologi, men samlingen av mange ultrapresis ingeniørkunster i et enkelt integrert system.

Den første delen er en ultrakraftig CO₂ laser med en kapasitet på rundt 30 kW, noe som gjør den til en av de kraftigste pulserte industrielle laserne i verden. ASMLs maskiner produseres av det tyske selskapet Trumpf.

Men det er ikke denne laseren som produserer EUV-lys; det er energikilden. For å generere EUV overopphetes ørsmå dråper med smeltet tinn til plasma, og ASML-maskiner avfyrer omtrent 50 000 dråper med tinn hvert sekund.

Plasmaet må drives til ekstreme temperaturer – ofte oppgitt nær 220,000 360,000 °C – noe som skaper forhold som er langt varmere enn soloverflaten og presser industriell ingeniørkunst til det ytterste.

Hele prosessen må også foregå i et nesten perfekt vakuum, fordi luft (og de fleste materialer) absorberer EUV-lys.

kilde: Semiingeniørfag

Og dette er fortsatt ikke alt. Det EUV-lyset må nå styres, formes og fokuseres med forbløffende presisjon for å mønstre silisiumskiver i den ypperste forkant – ofte diskutert i form av transistortettheter som nærmer seg 100 millioner transistorer per kvadratmillimeter for ledende noder.

Disse buede speilene, utviklet av den tyske optikklederen Zeiss, må produseres og justeres med en nøyaktighet som nærmer seg atomnivå.

«Hvis man skulle forstørre et slikt EUV-speil til størrelsen på Tyskland, ville den største ujevnheten – Zugspitze, så å si – være hele 0.1 millimeter høy.»

Denne presisjonen er så ekstrem at speilenes retningsnøyaktighet ofte beskrives med levende analogier. Hvis for eksempel et EUV-speil ble brukt til å omdirigere en stråle mot månen, ville det teoretisk sett være nøyaktig nok til å treffe et objekt så lite som en pingpongball på månens overflate.

Disse optikkene er også belagt med en flerlagsstabel – ofte vekslende materialer som silisium og molybden – bare noen få atomer tykke per lag.

«For å oppnå dette ligger opptil 100 lag oppå hverandre her. Et enkelt lag ville bare reflektere en god del av lyset – tapet ville være altfor stort.»

Resultatet er en refleksjonsevne som gjør opptil 70 prosent av lyset brukbart.»

Til slutt må selve silisiumskiven bevege seg og justeres med ekstraordinær presisjon. Sensorer måler posisjonering kontinuerlig, og skivetrinnet må opprettholde nøyaktighet samtidig som det motstår deformasjon fra termiske endringer og høyhastighetsbevegelse.

Så når man tar hensyn til alle disse trinnene (og forklaringen ovenfor er fortsatt en overforenkling), blir det tydelig hvorfor det er så vanskelig å kopiere EUV: det krever at man ikke bare reproduserer et design, men et stort økosystem av materialer, metrologi, kontroller, optikk, vakuumsystemer og ultraren produksjon – integrert i én maskin.

Hvorfor EUV er så vanskelig å replikere

Sveip for å bla →

Kinas EUV «Manhattan-prosjekt»: Total halvledermobilisering

Total mobilisering

Med tanke på hvor avgjørende banebrytende brikker er for konkurranse innen AI, avansert robotikk og militærteknologi, er det ikke bare retorikk å sammenligne Kinas innenlandske EUV-fremstøt med et Manhattan-prosjekt – det gjenspeiler omfanget og hvor viktig innsatsen er.

For det første ser det ut til at enorme mengder offentlig og privat kapital har blitt investert i den bredere halvlederinnsatsen, med minst 37 milliarder euro angivelig mobilisert i begynnelsen av 2025, og sannsynligvis mer gjennom universitetsforskning, industrianlegg, subsidier til kritiske leverandører, garanterte kjøp og statsstøttet etterspørsel etter fremtidige brikker.

Og kanskje burde det ikke ha kommet helt overraskende, med tanke på et Huawei EUV-relatert patent som angivelig ble innlevert i desember 2022.

Parallelt har et annet kinesisk selskap, SMIC, angivelig klart å bruke eldre DUV-maskiner til å produsere 5nm-klassebrikker uten EUV– illustrerer hvor sterkt insentivet har vært til å «klare seg» med begrensede verktøy.

Et annet konsept ble også utforsket: generere EUV-lys via en partikkelakselerator (synkrotron), en retning som ble diskutert så tidlig som i 2023 og knyttet til en vitenskapelig publikasjon fra 2022.

Alle disse anstrengelsene illustrerer den kolossale betydningen kinesiske institusjoner og selskaper har lagt på enten å mestre EUV – eller å bygge konkurransedyktige alternativer uten.

Sentralt i disse anstrengelsene har vært Huawei, den sterkt sanksjonerte kinesiske teknologigiganten.

«Huawei har utplassert ansatte til kontorer, fabrikker og forskningssentre over hele landet for arbeidet.»

«Ansatte som er tildelt halvlederteam sover ofte på stedet og får ikke dra hjem i løpet av arbeidsuken, og telefontilgangen er begrenset for team som håndterer mer sensitive oppgaver.»

Hvordan talentakvisisjon akselererte Kinas EUV-program

Et annet forsøk på å låse opp EUV – mer hemmelighetsfullt – har angivelig fokusert på å tilegne seg erfaringen og det menneskelige talentet som gjorde EUV mulig i utgangspunktet.

Toppingeniører, inkludert noen som hadde jobbet hos ASML og senere pensjonert seg, var primære mål for rekruttering. Rapporter tyder også på at andre nåværende ansatte i ASML har blitt kontaktet for rekruttering så langt tilbake som i 2020.

«En veteran kinesisk ingeniør fra ASML som ble rekruttert til prosjektet ble overrasket over å oppdage at den generøse signeringsbonusen hans kom med et identifikasjonskort utstedt under et falskt navn, ifølge en av personene som var kjent med rekrutteringen hans.»

Da han var inne, kjente han igjen andre tidligere ASML-kolleger som også jobbet under alias, og ble bedt om å bruke falske navn på jobb for å opprettholde hemmelighold.

Disse rekrutteringene var angivelig en del av en større innsats for å bringe topptalenter til Kina, der halvledereksperter som jobber i utlandet ble tilbudt signeringsbonuser og subsidier for mange år siden.

Det ser også ut til at det i isolerte tilfeller har blitt foretatt en bøying av noen nasjonale regler for å gjøre det enklere for disse innleide ekspertene. For eksempel skal noen naturaliserte borgere fra andre land ha fått kinesiske pass og fått lov til å beholde dobbelt statsborgerskap, til tross for at Kina offisielt forbyr dobbelt statsborgerskap.

Det faktum at mange av disse ingeniørene har kinesisk nasjonalitet eller opprinnelse kan også ha gjort rekrutteringen enklere.

Alt i alt er påstander om at Kina «bare stjeler teknologi» ofte en overforenkling av et raskt voksende forsknings- og ingeniørøkosystem. Likevel kan overlappingen med ASMLs forretningshemmeligheter være meningsfull i dette spesifikke tilfellet.

«Selv om ASML ikke kan kontrollere eller begrense hvor tidligere ansatte jobber, er alle ansatte bundet av taushetspliktklausulene i kontraktene sine», sa selskapet, og de har «med hell forfulgt rettslige skritt som svar på tyveriet av forretningshemmeligheter».

Inni Kinas første EUV-litografiprototype

Resultatet av å ansette tidligere ASML-ansatte, reverskonstruere EUV-deler og uavhengig utvikling av innenlandske alternativer ser ut til å ha produsert en prototype som er betydelig større enn ASMLs typiske 180-tonns EUV-systemer på størrelse med skolebuss – som angivelig tar opp et helt fabrikkgulv.

Dette kan indikere at prototypen enten er mer strømkrevende, mindre kompakt, mindre effektiv, eller rett og slett på et tidligere optimaliseringsstadium enn ASMLs produksjonsdesign.

Gjenvunnede komponenter fra eldre ASML-maskiner, sammen med bruktmarkeder for deler fra ASML-leverandører, kunne også ha bidratt til å sette sammen en fungerende prototype mens den innenlandske produksjonen øker eller kvaliteten forbedres.

En nøkkelkomponent som fortsatt kan mangle – og som er usedvanlig vanskelig å gjenskape med sammenlignbar ytelse – er Zeiss-optikk. Dette er angivelig en av grunnene til at maskinen ennå ikke kan produsere brikker på ønsket nivå.

Høy-NA EUV: Den neste fronten i chip-våpenkappløpet

Hvis det tok ASML flere tiår å utvikle EUV, tyder fremveksten av en kinesisk prototype på at det å ta igjen det tapte – i hvert fall innen demonstrasjon av grunnleggende systemer – kan skje mye raskere enn mange antok.

Dette legger press på vestlige halvlederledere til å presse hardere inn i neste generasjon: High-NA (Numerical Aperture) EUV.

Høy-NA EUV testes allerede av selskaper som Intel (INTC ), og det har blitt evaluert av Samsung og TSMC. Intel har offentlig satt mål om tidslinjer for produksjonsvolum rundt 2028, mens både TSMC og Samsung virker mer forsiktige, og reserverer High-NA EUV for fremtidige <2nm-noder i stedet for å forhaste massedistribusjon.

«Jo større vinkler det optiske systemet plukker opp lys fra, desto finere detaljer vises. Dette betyr at optiske EUV-systemer blir større og større.»

Zeiss om High-NA EUV

Høy-NA-systemer bruker enda større optiske elementer, noe som kan gi ASML en varig fordel via sin optikkpartner Zeiss.

kilde: Zeiss

Et speil for High-NA EUV-litografi er omtrent dobbelt så stort og ti ganger så tungt som nåværende EUV-speil – noe som gjør det totale systemet enda større, tyngre og mer komplekst.

«Mer enn 40 000 deler av projeksjonsoptikken for High-NA-EUV-litografi veier rundt tolv tonn for å sikre høypresisjonsfokusering – syv ganger volumet og vekten av den etablerte EUV-litografien.»

Hva betyr det for investorer?

På kort sikt endrer dette sannsynligvis lite. Kinas EUV-maskin er angivelig bare en prototype, og det er fortsatt uklart hvor mye av den som er avhengig av ombrukte eller gjenvunnede ASML-deler kontra utelukkende Kina-produserte komponenter.

Det er imidlertid vanskelig å anta at Kina vil mislykkes på ubestemt tid. Med nok spesialister, finansiering og tid er det ingen klar grunn til å tro at kinesiske institusjoner ikke kan gjenskape mye av EUVs kapasitet – spesielt etter hvert som det bredere økosystemet av komponenter, materialer og måleteknikk modnes.

Skepsis om at Kina ikke kan erstatte en spesifikk komponent, som for eksempel Zeiss-speil, bør også tas med forsiktighet. Lignende analyser antydet tidligere at Kina lå 15+ år bak, men nå er det rapportert om en prototype.

På lang sikt (5–10 år) kan Kina bygge en parallell forsyningskjede for halvledere som er uavhengig ikke bare på støperinivå, men også på utstyrsproduksjonsnivå.

I starten vil avansert innenlandsk produksjon sannsynligvis prioritere innenlandsk etterspørsel, noe som reduserer salget til Kina av avanserte brikker, produksjonsverktøy og støttekomponenter.

Over tid kan dette legge press på omsetningen og marginene til vestlige produsenter og leverandører av halvlederutstyr, og redusere deres evne til å reinvestere på tidligere FoU-nivåer.

Enda mer bekymringsfullt for selskaper som ASML og andre utstyrsprodusenter – og til og med for støperier – kan Kina-produserte avanserte brikker etter hvert konkurrere direkte i eksterne markeder, spesielt på tvers av voksende BRICS- og SCO-kommersielle nettverk (Shanghai Cooperation Organization).

Konklusjon

At en kinesisk EUV-prototype dukket opp flere år tidligere enn mange forventet, er en reell milepæl. Det tyder på at eksportkontroller og sanksjoner sannsynligvis ikke vil begrense den teknologiske kapasiteten permanent i en sektor der Vesten lenge har hatt et strukturelt fortrinn.

I beste fall kan restriksjoner forsinke fremgangen; i verste fall kan de akselerere den ved å skape et beskyttet innenlandsmarked på omtrent 1.5 milliarder mennesker med sterk statlig støtte og industriell kapasitet.

Dette betyr ikke at Kina umiddelbart vil begynne å produsere banebrytende brikker på innenlandske EUV-verktøy. Men det betyr at utviklingen mot dette målet nå er tydeligere – og sannsynligvis raskere – enn mange tidligere antok.

Samlet sett forsterker det at Kina er i ferd med å utvikle seg til en stor teknologimakt, ikke bare verdens største produksjonsbase.

Noen analyser hevder at Kina nå leder an innen en stor andel av avanserte vitenskapelige domener., som utfordrer den forenklede fortellingen om at fremgang bare skjer gjennom imitasjon – selv om tvister om forretningshemmeligheter og IP-konflikter fortsatt er et reelt trekk ved denne konkurransen.

Selv om Kinas gjennombrudd endrer den langsiktige horisonten, må investorer som ønsker umiddelbar dominans i halvledermarkedet fortsatt se hen til den nåværende markedslederen.

Halvlederselskap – TSMC

Kinas fremgang som en teknologimakt er strategisk viktig, men foreløpig ser det fortsatt ut til at Kinas halvlederproduksjonsutstyr ligger bak – eller bare nærmer seg – de mest avanserte vestlige systemene.

Så når det gjelder støperivirksomheten, vil prosessdisiplin, utbyttelæring og driftserfaring sannsynligvis forbli avgjørende i det kommende tiåret.

Til syvende og sist domineres halvlederproduksjon av nisjeekspertise og evnen til masseproduksjon i stor skala for å redusere kostnader. Ingen selskaper har mestret denne modellen bedre enn TSMC, den taiwanske lederen innen ultraavansert chipproduksjon.

TSMC produserer primært silisiumbrikker, inkludert de kraftigste 3nm-nodene og kommende 2nm-noder. Og fordi de produserer de mest avanserte (og dyreste) brikkene, tar de en dominerende andel av de globale støperienes inntekter.

kilde: Eric Flaningam

TSMC utvider også produksjonskapasiteten i USA, særlig gjennom store investeringer i fabrikkene i Arizona.

Med utviklingen av High-NA EUV allerede i gang, kan TSMC forbli ett skritt foran kinesiske rivaler som SMIC i årevis – spesielt når det gjelder utbytte, pålitelighet og modenhet for høyvolumsproduksjon.

Og selv om de har konkurrert hardt mot Samsung, Intel og andre støperier, er TSMC fortsatt posisjonert til å forsvare sin ledelse mot økende Kina-basert konkurranse – i hvert fall i overskuelig fremtid.

Siste nyheter og utvikling for TSMC (TSM)-aksjer