Ημιαγωγοί: Οι ΗΠΑ είχαν την ευκαιρία να ηγηθούν και την έχασαν

Οι ΗΠΑ ανέλαβαν από νωρίς έναν κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας ημιαγωγών που στηρίζει τη σημερινή επανάσταση στην τεχνητή νοημοσύνη. Ωστόσο, μια ολλανδική εταιρεία κατέχει σήμερα το μονοπώλιο της διαδικασίας και οι ασιατικοί κατασκευαστές κυριαρχούν στην παραγωγή. Αυτό, σημειώνει το Bloomberg, ήταν ένα στρατηγικό σφάλμα επικών διαστάσεων.

Τα μηχανήματα λιθογραφίας ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας (EUV – extreme ultraviolet lithography) είναι αναμφισβήτητα οι σημαντικότερες ηλεκτρονικές συσκευές στον κόσμο αυτή τη στιγμή. Η άφιξή τους επέτρεψε τη συναρμολόγηση τσιπ που προσφέρουν μια αλματώδη αλλαγή στην επεξεργαστική ισχύ, ανοίγοντας το δρόμο για μια νέα γενιά εργαλείων τεχνητής νοημοσύνης. Οι τεράστιοι και πολυεπίπεδοι υπολογισμοί που εκτελούνται από πλατφόρμες τεχνητής νοημοσύνης, όπως το ChatGPT της OpenAI και το Gemini της Google, επιταχύνουν ένα πλήθος εργασιών που συνήθως εκτελούνται από ανθρώπους. Αυτό έχει καταστήσει την πρόσβαση στην τεχνολογία EUV ζήτημα εθνικής οικονομικής ασφάλειας για τις ΗΠΑ και την Κίνα.

Το κρίσιμο δίλημμα των Ολλανδών για τις εξαγωγές της ASML στην Κίνα

Το πρόβλημα για την Ουάσιγκτον και το Πεκίνο είναι ότι οι μηχανές EUV κατασκευάζονται από μία μόνο εταιρεία: την ASML Holding. Κάθε μηχνάμηα έχει το μέγεθος ενός λεωφορείου και κοστίζει πάνω από 200 εκατομμύρια δολάρια το καθένα. Περισσότερες από 200 έχουν αποσταλεί μέχρι στιγμής, μετατρέποντας την ASML στην πιο πολύτιμη τεχνολογική μετοχή της Ευρώπης, με κεφαλαιοποίηση που ξεπερνά τα 350 δισεκατομμύρια δολάρια.

Πώς κατάφεραν οι ΗΠΑ να παραχωρήσουν τον έλεγχο αυτής της κρίσιμης τεχνολογίας, αναρωτιέται το Bloomberg. Εν μέρει ο λόγος είναι ότι σχετικά λίγα στελέχη της βιομηχανίας πίστεψαν ποτέ ότι η EUV θα μπορούσε να λειτουργήσει. Μια άλλη αιτία: οι λανθασμένες εκτιμήσεις της Intel, που για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν η μεγαλύτερη κατασκευάστρια εταιρεία επεξεργαστών στον κόσμο.

Σχεδόν ατομική κλίμακα

Τα τσιπ πυριτίου αποτελούνται από τρανζίστορ – ουσιαστικά μια σειρά από πύλες και διακόπτες που είναι η φυσική εκδήλωση των μηδενικών και των μονάδων της σύγχρονης πληροφορικής. Για να κάνουν τους υπολογιστές πιο ισχυρούς, οι μηχανικοί ημιαγωγών βρίσκονται σε μια διαρκή προσπάθεια να κάνουν τα τρανζίστορ μικρότερα. Τα πρώτα που εφευρέθηκαν στα μέσα του περασμένου αιώνα είχαν μήκος περίπου ένα εκατοστό. Τώρα, έχουν διάμετρο μόλις μερικά νανόμετρα, δηλαδή αρκετά δισεκατομμυριοστά του μέτρου.

Τις πρώτες δεκαετίες της κατασκευής τσιπ, το ορατό φως χρησιμοποιήθηκε για να «καούν» σχέδια στο πυρίτιο για να δημιουργηθούν τα τρανζίστορ – μια διαδικασία γνωστή ως λιθογραφία – πριν η βιομηχανία μεταναστεύσει στη συνέχεια στο υπεριώδες φως. Στη δεκαετία του 1980, οι επιστήμονες άρχισαν να αναρωτιούνται πώς η κατασκευή τσιπ θα μπορούσε να φτάσει στην σχεδόν ατομική κλίμακα που θα απαιτούνταν για να διατηρηθεί ο ρυθμός της καινοτομίας. Οι ερευνητές των Bell Labs με έδρα το Νιου Τζέρσεϊ άρχισαν να εξετάζουν την τεχνολογία ακραίας υπεριώδους ακτινοβολίας, ενώ ακολούθησαν τρία από τα εθνικά εργαστήρια του Υπουργείου Ενέργειας: Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley και Sandia. Το υπουργείο Οικονομίας και Ανάπτυξης κατέληξε να επενδύσει δεκάδες εκατομμύρια δολάρια στην έρευνα.

Καθώς αυτά τα ιδρύματα σημείωναν πρόοδο σε ορισμένα από τα τεχνικά στοιχεία, συνειδητοποίησαν ότι η υποστήριξη της βιομηχανίας θα ήταν απαραίτητη για την προώθησή της στην αγορά. Το 1997 δημιουργήθηκε μια σύμπραξη δημόσιου και ιδιωτικού τομέα με την ονομασία EUV LLC, στην οποία συμμετείχαν οι αμερικανικές εταιρείες Intel, Advanced Micro Devices (AMD) και Motorola. Τελικά επεκτάθηκε και συμπεριέλαβε τις εταιρείες λιθογραφίας Silicon Valley Group και ASML, η οποία συμμετείχε επίσης σε μια παρόμοια ερευνητική κοινοπραξία EUV στην Ευρώπη.

Τότε, οι ιαπωνικές Nikon και Canon ήταν οι μεγαλύτεροι παίκτες στη λιθογραφία και η Ιαπωνία φαινόταν να αποτελεί τη μεγαλύτερη απειλή για την κυριαρχία των ΗΠΑ στην παραγωγή τσιπ. Έτσι, η Ουάσιγκτον ήταν απρόθυμη να δώσει στην ασιατική χώρα ένα προβάδισμα στην κούρσα προς την επόμενη τεχνολογία, ρίχνοντας αντ’ αυτού το βάρος της πίσω από τις προσπάθειες του Silicon Valley Group και της ASML. Η ολλανδική εταιρεία προχώρησε στην EUV και πέρασε τα επόμενα χρόνια προσπαθώντας να αξιοποιήσει τις δυνατότητές της. Το 2001, η ASML πλήρωσε 1,1 δισεκατομμύρια δολάρια για να εξαγοράσει τη Silicon Valley Group, αφήνοντας μόνο ένα άλογο στην κούρσα. Εκείνη την εποχή, ανέμενε ότι η EUV θα ήταν εμπορικά βιώσιμη μέχρι το 2006.

Η τεχνική πρόκληση

Αυτό αποδείχθηκε υπερβολικά αισιόδοξο. Η τεχνολογία είναι εξαιρετικά περίπλοκη. Περιλαμβάνει την εκτόξευση σταγονιδίων κασσίτερου με ένα υψηλής ισχύος λέιζερ 50.000 φορές το δευτερόλεπτο, δημιουργώντας ένα πλάσμα που εκπέμπει φως EUV. Επειδή τέτοιο φως δεν εμφανίζεται φυσικά στη γη -στην πραγματικότητα, απορροφάται από τον αέρα- η διαδικασία πρέπει να λάβει χώρα σε κενό. Στη συνέχεια, το φως εστιάζεται προς τα κάτω από μια σειρά κατόπτρων, αναπηδώντας σε ένα δικτυωτό. Αυτό είναι ένα μοτίβο σε γυαλί ή καθρέφτη που μπλοκάρει και απορροφά μέρος του φωτός και, με αυτόν τον τρόπο, δημιουργεί το μοτίβο των κυκλωμάτων που θα χαραχθούν σε ένα τσιπ.

Λόγω της κλίμακας στην οποία λειτουργούν αυτά τα κάτοπτρα, που κατασκευάζονται από τη γερμανική Zeiss, πρέπει να είναι σχεδόν απίστευτα λεία: Οι μεγαλύτερες ατέλειες έχουν ύψος ενός ατόμου. Η ASML λέει ότι αν ο καθρέφτης είχε το μέγεθος μιας χώρας, το ψηλότερο εξόγκωμα θα είχε ύψος μόλις 1 χιλιοστό. Και η εκτόξευση λιωμένου κασσίτερου με λέιζερ είναι… βρώμικη. Απαιτούσε τακτικούς καθαρισμούς, πράγμα που σήμαινε ότι υπήρχε πολύς χρόνος διακοπής λειτουργίας. Αυτό καθιστούσε δύσκολο να δούμε πώς οι μηχανές θα μπορούσαν να είναι οικονομικές: οι εγκαταστάσεις κατασκευής ημιαγωγών πρέπει να λειτουργούν σχεδόν 24 ώρες την ημέρα, επτά ημέρες την εβδομάδα για να δικαιολογήσουν τα δισεκατομμύρια δολάρια που ξοδεύονται για την κατασκευή τους.

Χρειάστηκε να φτάσει το 2012 για να αρχίσει η βιομηχανία να σκέφτεται ότι η τεχνολογία μπορεί πραγματικά να είναι εφικτή. Και εξακολουθούσε να απαιτεί μεγάλη εισροή κεφαλαίων. Έτσι, η ASML στράφηκε στους μεγαλύτερους πελάτες της: η Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. επένδυσε 1,4 δισεκατομμύρια δολάρια, η Samsung Electronics έβαλε 974 εκατομμύρια δολάρια και η Intel δεσμεύτηκε για 4,1 δισεκατομμύρια δολάρια. Μεταξύ τους, οι τρεις κατασκευαστές τσιπ κατείχαν τότε περίπου το ένα τέταρτο των μετοχών της ASML.

Το κόλπο πέτυχε και, μέχρι το 2018, η ASML άρχισε να στέλνει μηχανήματα EUV σε σημαντικούς αριθμούς. Παρά το γεγονός ότι ένα μεγάλο μέρος της πρώιμης λειτουργίας γινόταν στις ΗΠΑ και η Intel ήταν ο μεγαλύτερος βιομηχανικός υποστηρικτής της ASML, καμία από τις πρώτες γενιές μηχανημάτων δεν πήγε στην Intel, αναφέρει το Bloomberg.

Αυτό δεν ήταν επιλογή της ASML. Ήταν της Intel. Ο τότε διευθύνων σύμβουλος Μπράιαν Κράζνιτς δεν ήταν σίγουρος ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να λειτουργήσει σε οικονομική κλίμακα. Έπαιξε στο στοίχημα ότι θα μπορούσε να κάνει την υπάρχουσα τεχνολογία να λειτουργήσει μέχρι να εξαλειφθούν τα προβλήματα που θεωρούσε ότι υπήρχαν με την EUV. Είχε καλό λόγο να είναι σίγουρος: η Intel ήταν σταθερά πρωτοπόρος στους ομότιμους της με πρωτοποριακές διαδικασίες κατασκευής τσιπ.

Αυτό αποδείχθηκε λάθος. Η TSMC, χρησιμοποιώντας τη διαδικασία EUV, ξεπέρασε τεχνολογικά την Intel για πρώτη φορά γύρω στο 2018. Η ταϊβανέζικη εταιρεία λειτουργεί αυτό που είναι γνωστό ως «επιχείρηση χυτηρίου», όπου οι πελάτες, όπως η Apple, η Nvidia και η AMD, σχεδιάζουν τα δικά τους τσιπ και στη συνέχεια αναθέτουν στην TSMC την κατασκευή τους.

Εν τω μεταξύ, η Intel αγωνίστηκε να κάνει την εναλλακτική της προσέγγιση «πολλαπλών σχημάτων» για τη λιθογραφία των τσιπ να λειτουργήσει αξιόπιστα. Μέχρι να τελειοποιήσει τη διαδικασία σε σημείο που να είναι βιώσιμη σε μεγάλη κλίμακα, η TSMC και η Samsung παρήγαγαν ήδη ακόμη πιο προηγμένους ημιαγωγούς.

Η πρόκληση της Κίνας

Υπήρχαν βαθύτερες επιπτώσεις για τις ΗΠΑ, επειδή η TSMC προμήθευε επίσης κινεζικές εταιρείες όπως η Huawei Technologies, μια εταιρεία την οποία τόσο οι κυβερνήσεις του Ντόναλντ Τραμπ όσο και του Τζο Μπάιντεν έβλεπαν με καχυποψία, υπενθυμίζει το Bloomberg. Τα τσιπ που κατασκευάστηκαν με την τεχνολογία EUV χρησιμοποιήθηκαν σε smartphone της Huawei από το 2019. Έτσι, μια τεχνολογία που χρηματοδοτήθηκε εν μέρει με αμερικανικά κεφάλαια και για την οποία μέρος της υποκείμενης έρευνας πραγματοποιήθηκε σε αμερικανικά εργαστήρια, φαινόταν πιθανό να ωφελήσει τον κύριο γεωπολιτικό της αντίπαλο.

Εάν η Κίνα μπορούσε είτε να κατασκευάσει είτε να αγοράσει τα πιο προηγμένα τσιπ, αυτό θα τη βοηθούσε να αναπτύξει την τεχνητή νοημοσύνη όχι μόνο στη βιομηχανία, αλλά ενδεχομένως και σε στρατιωτικές εφαρμογές. Παρά τις σημαντικές τεχνολογικές της δυνατότητες, η Κίνα εξακολουθεί να πρέπει να εισάγει το μεγαλύτερο μέρος των ημιαγωγών που χρειάζεται. Η εξασφάλιση της δικής της ικανότητας EUV αποτέλεσε προτεραιότητα.

Από την αλλαγή της δεκαετίας περίπου, οι ΗΠΑ έχουν στηριχθεί στην ολλανδική κυβέρνηση για να εμποδίσουν την ASML να πουλήσει οποιαδήποτε από τις συσκευές στην Κίνα. Μέχρι στιγμής, οι προσπάθειες αυτές έχουν αποδειχθεί επιτυχείς: η Κίνα δεν έχει ακόμη καμία μηχανή EUV.

Η επόμενη κίνηση της Intel

Εν τω μεταξύ, η Intel εξακολουθεί να υποφέρει από τον λάθος υπολογισμό της, αναφέρει το Bloomberg. «Κάναμε μεγάλα βήματα για να αποφύγουμε την ανάγκη για EUV και, όπως βλέπετε, αυτό δημιούργησε ελλείψεις σε ισχύ, απόδοση, έκταση και κόστος», δήλωσε τον Απρίλιο ο Πατ Γκέλσινγκερ, ο οποίος ανέλαβε τη θέση του CEO της Intel το 2021.

Το χρηματιστήριο απεικονίζει το μέγεθος του λάθους. Το 2012, όταν επένδυσε στην ASML, η κεφαλαιοποίηση της Intel ήταν 15 φορές μεγαλύτερη από εκείνη της Nvidia και σχεδόν διπλάσια από εκείνη της TSMC. Τώρα είναι ένα κλάσμα του μεγέθους και των δύο: η Intel αποτιμάται στα 164 δισεκατομμύρια δολάρια, η TSMC στα 650 δισεκατομμύρια δολάρια και η Nvidia στα 2,2 τρισεκατομμύρια δολάρια. Μεγάλο μέρος αυτού οφείλεται στην έλλειψη πρόσβασης της Intel στην τεχνολογία EUV.

Ο Γκέλσινγκερ θέλει να διασφαλίσει ότι δεν θα επαναλάβει το λάθος του προκατόχου του. Η Intel ρίχνει το βάρος της στην επόμενη γενιά EUV: την High Numerical Aperture. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιεί νέα οπτικά συστήματα για την εστίαση του φωτός σε ακόμη μικρότερο σημείο και η εταιρεία έχει ήδη εγκαταστήσει το πρώτο μοντέλο προπαραγωγής σε μια τοποθεσία στο Όρεγκον.