Máy 150 Triệu Đô giữ cho Định Luật Moore sống động

Bên trong một phòng sạch lớn ở vùng nông thôn Connecticut, các kỹ sư đã bắt đầu xây dựng một thành phần quan trọng cho một chiếc máy hứa hẹn sẽ giữ cho ngành công nghiệp công nghệ như chúng ta biết nó tiếp tục phát triển ít nhất một thập kỷ nữa.

Chiếc máy này được xây dựng bởi ASML, một công ty Hà Lan đã chiếm lĩnh thị trường tạo ra các đặc trưng nano nhỏ nhất trên vi mạch với ánh sáng.

ASML giới thiệu máy lithography tia cực lực siêu việt (EUV) đầu tiên để sản xuất hàng loạt vào năm 2017, sau mấy thập kỷ nắm bắt kỹ thuật. Những chiếc máy đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái làm chip, và chúng đã được sử dụng trong sản xuất chip mới nhất, tiên tiến nhất, bao gồm cả những chiếc iPhone mới cũng như máy tính sử dụng cho trí tuệ nhân tạo. Hệ thống EUV tiếp theo của công ty, một phần đang được xây dựng tại Wilton, Connecticut, sẽ sử dụng một chiêu mới để làm giảm bước sóng của ánh sáng nó sử dụng—co lại kích thước đặc trưng trên chip kết quả và tăng hiệu suất chúng—hơn bao giờ hết.

Thế hệ máy EUV hiện tại, nói mạnh mẽ một chút, thật là khủng khiếp. Mỗi cái có kích thước gần như một chiếc xe buýt và giá trị 150 triệu Đô la. Nó chứa 100,000 bộ phận và 2 kilômét dây cáp. Việc vận chuyển các thành phần đòi hỏi 40 container hàng hóa, ba máy bay vận tải và 20 xe tải. Chỉ có vài công ty có khả năng mua máy, và hầu hết chúng đều thuộc về ba nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới: nhà máy tìm kiếm hàng đầu thế giới, TSMC có trụ sở tại Đài Loan, cũng như Samsung ở Hàn Quốc và Intel.

“Đó thật sự là một chiếc máy tuyệt vời,” nói Jesús del Alamo, một giáo sư tại MIT chuyên nghiên cứu về kiến trúc bóng bảng transistor mới. “Đó là một sản phẩm hoàn toàn mang tính cách mạng, một đột phá sẽ mang lại sự sống lại mới cho ngành công nghiệp trong nhiều năm.”

Ở Connecticut, một khối nhôm khổng lồ đã được cắt thành một khung sẽ cuối cùng chứa một chiếc mặt nạ, hoặc “reticle,” di chuyển với độ chính xác nanômét trong khi phản xạ một chùm ánh sáng cực lực siêu việt. Ánh sáng bật bóng trên một số gương được tạo hình và mài mòn với độ chính xác đáng kinh ngạc để tạo ra các đặc trưng chỉ vài chục nguyên tử trong kích thước trên các vi mạch máy tính trong tương lai.

Thành phần hoàn thành sẽ được vận chuyển đến Veldhoven, Hà Lan vào cuối năm 2021, và sau đó được thêm vào máy EUV thế hệ tiếp theo nguyên mẫu đầu tiên vào đầu năm 2022. Các vi mạch đầu tiên được tạo ra bằng cách sử dụng các hệ thống mới có thể được Intel chế tạo, theo như họ đã nói rằng họ sẽ có được chúng đầu tiên, dự kiến vào năm 2023. Với đặc trưng nhỏ hơn bao giờ hết, và hàng trăm tỷ bộ phận mỗi chiếc, những vi mạch mà máy tạo ra trong những năm sắp tới nên là nhanh nhất và hiệu quả nhất trong lịch sử.

Máy EUV mới nhất của ASML hứa hẹn sẽ duy trì một ý tưởng đã trở thành biểu tượng của sự tiến triển—không chỉ trong việc sản xuất chip, mà còn trong ngành công nghiệp công nghệ và nền kinh tế nói chung.

Năm 1965, Gordon Moore, một kỹ sư điện tử và một trong những người sáng lập của Intel, viết một bài viết cho số kỷ niệm 35 của tạp chí thương mại Electronics, chứa một quan sát đã trở thành biểu tượng riêng. Trong bài viết, Moore lưu ý rằng số lượng thành phần trên một vi mạch silic đã tăng gấp đôi mỗi năm cho đến thời điểm đó, và ông dự đoán xu hướng sẽ tiếp tục.

Mười năm sau đó, Moore sửa đổi ước tính của mình thành hai năm thay vì một. Sự tiến triển của Định luật Moore đã bị đặt ra nghi vấn trong những năm gần đây, mặc dù các đột phá sản xuất mới và đổi mới trong thiết kế chip đã giữ nó gần như trên đúng đường.

EUV sử dụng một số kỹ thuật kỹ thuật đặc biệt để làm giảm bước sóng của ánh sáng sử dụng để tạo ra chip, và nó nên giúp tiếp tục chuỗi thành công đó. Công nghệ này sẽ quan trọng để sản xuất smartphone và máy tính đám mây tiên tiến hơn, cũng như cho các lĩnh vực chính của công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo, sinh học công nghệ và robot. “Cái chết của Định luật Moore đã bị phóng đại nhiều,” del Alamos nói. “Tôi nghĩ nó sẽ tiếp tục trong thời gian khá dài.”

Trong tình hình thiếu chip gần đây, do những sóng chấn kinh tế của đại dịch, sản phẩm của ASML đã trở thành trung tâm của cuộc đấu tranh địa lý giữa Mỹ và Trung Quốc, với Washington ưu tiên cao để ngăn chặn quyền truy cập của Trung Quốc vào các máy này. Chính phủ Mỹ đã thành công trong việc áp đặt áp lực lên Hà Lan để không cấp giấy phép xuất khẩu cần thiết để gửi máy đến Trung Quốc, và ASML nói rằng họ không gửi bất kỳ máy nào đến nước này.

“Bạn không thể tạo ra những chiếc vi mạch hàng đầu mà không có máy của ASML,” nói Will Hunt, một nhà nghiên cứu tại Đại học Georgetown nghiên cứu về địa chính trị của việc sản xuất chip. “Rất nhiều điều phụ thuộc vào những năm tháng nghiên cứu và thử nghiệm, và rất khó để có quyền truy cập vào điều đó.”

Mỗi thành phần được đưa vào máy EUV là “phi thường phức tạp và đặc biệt phức tạp,” ông nói.

Việc tạo ra vi mạch đã đòi hỏi một số kỹ thuật kỹ thuật cao cấp nhất mà thế giới từng thấy. Một vi mạch bắt đầu cuộc sống dưới dạng một khối hình trụ silic crystalline được cắt thành các lớp mỏng, sau đó được phủ bằng các lớp vật liệu nhạy sáng và liên tục tiếp xúc với ánh sáng được mô phỏng. Các phần của silic không bị ánh sáng chạm vào sau đó được ăn mòn hóa học để hiện ra chi tiết tinh tế của một vi mạch. Mỗi lớp mỏng sau đó được cắt thành nhiều chip cá nhân.

Co giãn các thành phần trên một vi mạch vẫn là cách chắc chắn nhất để nén thêm công suất tính toán từ một mảnh silic vì electron chuyển qua các thành phần điện tử nhỏ hơn một cách hiệu quả hơn, và đóng gói thêm thành phần vào một vi mạch tăng khả năng tính toán của nó.

Nhiều đổi mới đã giữ cho Định luật Moore tiếp tục, bao gồm cả thiết kế chip và thành phần độc đáo. Tháng 5 này, ví dụ, IBM giới thiệu một loại transistor mới, nằm giữa lớp silic như một dải ruy băng, có thể cho phép đóng gói thêm thành phần vào một vi mạch mà không làm giảm độ phân giải của lithography.

Tuy nhiên, việc giảm bước sóng của ánh sáng trong sản xuất vi mạch đã giúp thúc đẩy thu nhỏ và tiến bộ từ những năm 1960 trở đi, và nó quan trọng đối với sự tiến bộ tiếp theo. Các máy sử dụng ánh sáng có thể nhìn thấy đã được thay thế bằng những máy sử dụng cận cực tím gần, sau đó nhường chỗ cho các hệ thống sử dụng cực cực tím sâu để etsch đặc trưng nhỏ hơn vào chip.

Một liên minh các công ty bao gồm Intel, Motorola và AMD đã bắt đầu nghiên cứu EUV như bước tiến tiếp theo trong lithography vào những năm 1990. ASML tham gia vào năm 1999, và với tư cách là một nhà sản xuất hàng đầu về công nghệ lithography, cố gắng phát triển các máy EUV đầu tiên. Lithography tia cực lực siêu việt, hay EUV tóm gọn, cho phép sử dụng bước sóng ánh sáng ngắn hơn nhiều (13,5 nanômét), so với cực tím sâu, phương pháp lithographic trước đó (193 nanômét).

Nhưng mất hàng thập kỷ để giải quyết những thách thức kỹ thuật. Tạo ra ánh sáng EUV chính là một vấn đề lớn. Phương pháp của ASML bao gồm việc hướng các laser có công suất cao vào giọt thiếc 50,000 lần mỗi giây để tạo ra ánh sáng cường độ cao. Kính hút tần số EUV, vì vậy hệ thống sử dụng các gương vô cùng chính xác được phủ một lớp vật liệu đặc biệt thay vì. Bên trong máy của ASML, ánh sáng EUV bật bóng trên một số gương trước khi đi qua mặt phẳng, di chuyển với độ chính xác nanômét để căn chỉnh các lớp trên silic.

“Thực sự, không ai muốn sử dụng EUV,” nói David Kanter, một nhà phân tích chip với Real World Technologies. “Nó chỉ là muộn 20 năm và vượt quá ngân sách 10 lần. Nhưng nếu bạn muốn xây dựng cấu trúc rất mật độ, đó là công cụ duy nhất bạn có.”

Máy mới của ASML giới thiệu một chiêu thêm để tạo ra các đặc trưng nhỏ hơn trên vi mạch: một số kính hiệu số lớn hơn, tăng độ phân giải của hình ảnh bằng cách cho phép ánh sáng đi qua quang học ở các góc khác nhau. Điều này đòi hỏi gương lớn đáng kể và phần mềm và phần cứng mới để kiểm soát chính xác các thành phần. Thế hệ hiện tại của máy EUV của ASML có thể tạo ra các vi mạch với độ phân giải 13 nanômét. Thế hệ tiếp theo sẽ sử dụng High-NA để tạo ra các đặc trưng có kích thước 8 nanômét.

Công ty nổi bật nhất sử dụng EUV ngày nay là TSMC, có khách hàng bao gồm Apple, Nvidia và Intel. Intel chậm chạp trong việc áp dụng EUV và tụt lại đối thủ, do đó quyết định gần đây để gửi một số sản xuất của mình đến TSMC.

ASML dường như không nghĩ rằng tiến triển dựa trên máy của họ sẽ chậm lại.

“Tôi không thích nói về sự kết thúc của Định luật Moore, tôi thích nói về ảo giác của Định luật Moore,” nói Martin van den Brink, giám đốc công nghệ của ASML, qua một đường liên kết video từ Hà Lan.

Bài viết năm 1965 của Moore thực sự chú ý hơn đến sự tiến triển của đổi mới hơn là chỉ là sự co lại, Van den Brink lưu ý. Trong khi ông kỳ vọng High-NA EUV sẽ tiếp tục thúc đẩy sự tiến triển trong ngành công nghiệp chip ít nhất là trong 10 năm tới, ông tin rằng việc co lại đặc trưng chip bằng lithography sẽ trở nên ít quan trọng hơn.

Van den Brink cho biết ASML đã nghiên cứu các ứng viên kế nhiệm cho EUV, bao gồm e-beam và nanoimprint lithography, nhưng không tìm thấy bất kỳ cái nào đủ đáng tin cậy để chứng minh đầu tư đáng kể. Ông dự đoán rằng các phương pháp mới để tăng tốc độ làm việc của máy lithographic trong khi đảm bảo ổn định nhiệt độ và ngăn chặn những tác động vật lý sẽ giúp tăng hiệu suất. Ngay cả khi chip không trở nên nhanh hơn, điều này sẽ dẫn đến việc giảm giá và sử dụng rộng rãi hơn cho những vi mạch tiên tiến nhất.

Van den Brink thêm rằng các chiêu thức sản xuất khác, bao gồm cố gắng xây dựng các thành phần theo chiều dọc trên một chip—điều mà Intel và những người khác đã bắt đầu thực hiện—sẽ tiếp tục cải thiện hiệu suất. Ông chú ý rằng chủ tịch điều hành của TSMC, Mark Liu, đã nói ông kỳ vọng sự cải thiện gấp ba về hiệu suất và hiệu quả kết hợp mỗi năm trong 20 năm tới.

Nhu cầu về chip nhanh hơn khó có khả năng giảm xuống. Mark Lundstrom, một giáo sư tại Purdue bắt đầu làm việc trong ngành công nghiệp chip từ những năm 1970, đã viết một bài báo cho tạp chí Science vào năm 2003 dự đoán rằng Định luật Moore sẽ đối mặt với giới hạn vật lý trong vòng một thập kỷ. “Trong sự nghiệp của mình, có nhiều lần chúng tôi nghĩ ‘OK, đây là kết thúc,’” ông nói. “Nhưng không có nguy cơ gì cả là mọi thứ sẽ chậm lại trong 10 năm. Chúng ta chỉ cần làm nó theo một cách khác.”

Lundstrom nhớ lại chuyến thăm hội nghị chip đầu tiên của mình vào năm 1975. “Có một người tên là Gordon Moore đang giữ bài thuyết trình,” ông nhớ lại. “Anh ấy nổi tiếng trong cộng đồng kỹ thuật, nhưng không ai khác biết anh ấy.”

“Và tôi nhớ cuộc nói chuyện mà ông ấy đã mang lại,” Lundstrom thêm. “Anh ấy nói, ‘Chúng ta sẽ sớm có thể đặt 10,000 bóng bán dẫn trên một vi mạch.’ Và anh ấy thêm vào, 'Ai có thể làm gì với 10,000 bóng bán dẫn trên một vi mạch?’”

Các bài viết tuyệt vời khác từ MYTOUR

• 📩 Thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Khi đại dịch động vật tiếp theo xảy ra, liệu phòng thí nghiệm này có thể ngăn chặn nó không?
• Cháy rừng trước đây hữu ích. Làm thế nào mà chúng trở nên khủng khiếp đến vậy?
• Samsung có chip do trí tuệ nhân tạo thiết kế của chính nó
• Ryan Reynolds nhờ ơn để có mặt trong Free Guy
• Một bản sửa lỗi phần mềm duy nhất có thể giới hạn chia sẻ dữ liệu vị trí
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận các mẹo mới nhất, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 📱 Bị lạc lõng giữa những chiếc điện thoại mới nhất? Đừng lo lắng—kiểm tra hướng dẫn mua iPhone của chúng tôi và những chiếc điện thoại Android yêu thích