Na świecie dramatycznie brakuje chipów półprzewodnikowych – tak mało, że Subaru na jakiś czas zamknął fabrykę w Japonii, wdrażanie sieci 5G opóźnia się, Apple martwi się, co dalej z produkcją, a nowe PlayStation 5 są nie do zdobycia.
Powód niedoboru wydaje się oczywisty – spowolnienie produkcji podczas pandemii, spotęgowane rosnącym popytem na technologię konsumencką – ale te braki pokazują też wszechobecność chipa i złożoność łańcuchów dostaw, które go produkują.
Co sprawia, że tym bardziej niezwykłe jest to, iż jedna holenderska firma znalazła się w sercu wartej 439 miliardów dolarów branży. W swej siedzibie w Veldhoven w Holandii ASML montuje maszyny fotolitograficzne, które wytrawiają wzory obwodów na waflach chipowych za pomocą światła o niskiej długości fali. Inne firmy też produkują takie maszyny, ale ASML kontroluje ponad 60% rynku; w 2019 r. jej przychody wyniosły 11,8 mld euro. Jest też jedynym producentem najnowszej, najbardziej precyzyjnej generacji maszyn do produkcji chipów, która wykorzystuje światło ultrafioletowe (EUV) o długości fali 13,5 nanometra — dziesięciotysięcznej grubości ludzkiego włosa.
A gdyby firma zniknęła?
Trudno wyobrazić sobie inną firmę, która byłaby jednocześnie tak ważna, a zarazem nieznana ogółowi. Gdyby Veldhoven zniknął jutro, nasza wersja kapitalizmu z telefonami komórkowymi, pracą zdalną, zakupami online — stanąłby w martwym punkcie. ASML zapewnia okno nie tylko na nasz krzemowy świat, ale także na biznes, który musi stawić czoła zmianom technologicznym i społecznym. Szczególny status firmy stawia ją na ścieżce ekonomicznych lub geopolitycznych turbulencji, które wpływają na przemysł chipów. Jest uwięziony między USA a Chinami w toczącej się wojnie handlowej.
Rozszerzenie zdolności do zaspokojenia popytu zajęłoby dwa lata, mówi Peter Wennink, dyrektor generalny ASML. Więc staramy się, aby więcej ludzi robiło więcej rzeczy szybciej – to znaczy składać maszyny fotolitograficzne z setek tysięcy części, testować je, rozkładać, przenosić do fabryk półprzewodników na Tajwanie, Korei Południowej czy USA.
Historia zaczyna się w dniu, w którym Frits van Hout dołączył do ASML 1 maja 1984. Przybył do pracy i odkrył, że nikt nie wiedział, że go zatrudniono. Firma właśnie powstała jako pomysł Philipsa i holenderskiej firmy Advanced Semiconductor Materials International. Pytano mnie: Jesteś tu dobrowolnie? Czy Philips wysłał cię tutaj?
Wielu próbowało wydostać się i szukać innej pracy – mówi van Hout, dyrektor ds. strategii ASML. Pierwszych 45 pracowników zainstalowano w hali fabrycznej z nieszczelnym dachem; w ciągu roku personel rozrósł się do 200 i trzeba było ludzi upychać po tymczasowych kabinach.
Narodziny fotolitografii
Pierwsze układy scalone z łożyskami chipowymi wyprodukowano w 1959, a fotolitografia – opatentowana w tym samym roku – odegrała w tym procesie dużą rolę. Za pomocą soczewek i luster maszyny te skupiały wiązki światła na powierzchni płytki krzemowej, aby odcisnąć na niej obwód. Była to praca optyczna, a przez następne dekady, gdy produkcja chipów rosła, firmy takie jak Canon i Nikon przeniosły się do branży fotolitografii. Philips był producentem mikroukładów i chciał też produkować maszyny do fotolitografii. Ale, jak mówi van Hout, „gdyby Philips chciał sprzedać te maszyny innym producentom chipów, powiedzieliby: Wygląda ładnie, ale jak mam wam ufać, że to mi coś da?. Stąd wspólne przedsięwzięcie.
W tamtych czasach fotolitografia wyglądała inaczej niż dziś. W każdej maszynie prąd podgrzewał rtęć i generował plazmę, emitując promieniowanie o kilku długościach fal. Co najmniej 10 innych firm, w tym jak Canon i Nikon, zbudowało takie maszyny obok ASML. Nie wiedzieliśmy nic o stronie biznesowej ani klientach – dodaje van Hout. Philips miał problemy pod koniec lat 80., a my żyliśmy na krawędzi bankructwa.
W 1988 ASML została wydzielona jako niezależna firma. Nie mogła zbudować własnej fabryki, by produkować komponenty od podstaw, jak robili to konkurenci. A co kilka lat postęp technologiczny pozwalał firmom pracować z coraz drobniejszymi falami światła — 365 nanometrów, potem 248, potem 193 i tak dalej. Ale komponenty wymagały dużych pieniędzy, aby się rozwijać, i podczas gdy inne firmy próbowały robić to we własnym zakresie i zanikały, dostawcy ASML wzięli na siebie część kosztów. Zeiss np. pracował już nad budową lepszych obiektywów. I do niej zwróciła się ASNL.
Jak ASML zdominował branżę
Na początku XXI wieku zmieniło się wiele. Głównymi konkurentami, którzy pozostali, byli Canon i Nikon, a ASML był stosunkowo szybszy – mówił van Hout. Internet eksplodował, a nowe urządzenia, takie jak aparaty cyfrowe, USB i odtwarzacze mp3, wymagały chipów. W tym czasie szefowie firmy poszli na pełne ryzyko. Zamiast prowadzić wiele programów badawczych nad technologią fotolitografii, ASML sfinansowała jedynie napęd EUV.
Postęp w tym kierunku ciągle się zacinał. Maszyny musiały sprawić, by lasery uderzały w każdą z 50 tys. kropli stopionej cyny uwalnianej na sekundę, tak aby powstała plazma generowała 13,5 nanometra światła. Rozwój był tak kosztowny i skomplikowany, że ASML zaprosił niektórych klientów — Intel i Samsung — do zakupu udziałów, aby środki można było wykorzystać na finansowanie badań.
Maszyny na wagę złota
Pierwszy prototyp EUV wysłano w 2010, a pierwsze maszyny gotowe do produkcji w 2016. Każdy EUV waży 180 ton, montaż zajmuje 18 tygodni i kosztuje 120 milionów dolarów; W zeszłym roku na 258 sprzedanych systemów fotolitograficznych 31 było z napędem EUV. Zdemontowane części EUV wypełniają 150 skrzyń, a ASML potrzebuje trzech Boeingów 747, aby przetransportować je do klientów. W zakładach, w których powstają chipy, zespoły ASML muszą być cały czas, aby je konserwować i naprawiać. To droga maszyna w obsłudze; firmy muszą zainwestować 1 miliard dolarów w obiekty, aby zacząć używać EUV do produkcji chipów na dużą skalę.
Ale jako najbardziej znaczący krok naprzód w stosunku do poprzedniej technologii,EUV stał się sposobem na zyskanie przewagi przez producentów chipów. Samsung i TSMC używały maszyn EUV, mówi Velu Sinha, z firmy Bain & Company, podczas gdy Intel ogłosił niedawno, że jednym z wyzwań było to, że w ogóle nie polegał na EUV. ASML sprzedaje co roku setki maszyn fotolitograficznych i spodziewa się, że do 2025 trzy czwarte przychodów będzie pochodzić z EUV. Co ważniejsze, będzie dysponować wiedzą na temat EUV, by tworzyć nowe generacje technologii fotolitografii.
Geopolityka półprzewodników
Największym konsumentem chipów półprzewodnikowych są Chiny; w 2020 kraj ten importował 543 miliardy chipów o wartości 350 miliardów dolarów. Państwowy producent chipów, SMIC, założono w 2000 roku. Wtedy produkcja nie musiała być tak precyzyjna, wyjaśnia Sinha. Ale w ciągu ostatniej dekady procesy stały się bardziej wymagające. W tym samym czasie rząd USA zaczął się martwić o to, do czego Chiny mogą używać chipów i jaką technologię mogą zainstalować na nich sprzedawanych światu.
Niepokój wynikał z faktu, że jeśli pozwolisz Chinom produkować chipy na dużą skalę za pomocą EUV, te będą one niemożliwe do zbadania – wyjaśnia Sinha. Dlatego pod presją USA producenci chipów nie mogli sprzedawać swoich produktów Huawei. W podobny sposób EUV ASML umieszczono na liście Wassenaar, reżimie kontrolującym eksport kilku krytycznych technologii do państw takich jak Chiny.
Nie trudno odkryć, co Wennink, dyrektor generalny ASML, myśli o tym, że nie jest w stanie sprzedać się na największym rynku świata. Wie, że za zakazem sprzedaży EUV do Chin kryje się nie tylko troska o bezpieczeństwo narodowe, ale także akt ekonomicznej przewagi – chęć uzależnienia Chin od dostawców spoza tego kraju.
Dzisiejsza fotolitografia jest tak złożona, że trudno założyć od podstaw firmę, która będzie produkować te maszyny. Mimo to zawsze jest możliwość, że Chiny będą rozwijać produkcję maszyn fotolitograficznych — stając się nie tylko samowystarczalnymi pod względem chipów, ale konkurencyjnymi wobec ASML. Do tego jednak droga daleka.
