La Cina padroneggia l'EUV molto prima del previsto

Il prototipo cinese EUV arriva in anticipo

Con il miglioramento delle tecniche di calcolo, sono stati inventati chip sempre più avanzati. L'ultima generazione di nodi da 3 nm e 2 nm è così piccola che la normale lunghezza d'onda della luce è semplicemente troppo grande per riprodurre in modo affidabile le caratteristiche a questa scala.

Questa non è una novità, poiché l'industria utilizza da tempo la luce DUV (Deep UltraViolet) per eseguire la litografia su wafer di silicio. Ma per raggiungere la scala nanoscopica dei chip più avanzati, era necessaria una sorgente luminosa con lunghezza d'onda ancora più corta.

Questa sorgente luminosa e questo metodo litografico sono chiamati EUV (Extreme UltraViolet).

Fonte: Zeiss

Finora, l'EUV era monopolio della società olandese ASML (ASML ), l'unico produttore al mondo di macchine litografiche EUV.

Nel 2019, i chip a nodo da 7 nm di TSMC sono stati realizzati con il primo processo EUV, offrendo al mercato prodotti per i clienti in grandi volumi.

Il controllo sull'accesso alla tecnologia EUV è stato fondamentale per le sanzioni statunitensi contro l'industria cinese dei semiconduttori. Già nel 2018, gli Stati Uniti hanno iniziato a fare pressione sui Paesi Bassi affinché impedissero ad ASML di vendere macchine EUV, componenti correlati e servizi di manutenzione.

L'idea era che limitare l'accesso all'EUV avrebbe rallentato la capacità della Cina di produrre chip all'avanguardia e, insieme ai limiti all'esportazione di acceleratori di intelligenza artificiale avanzati, avrebbe aiutato gli Stati Uniti a mantenere un vantaggio nella corsa all'intelligenza artificiale.

Tuttavia, ora sembra che la spinta della Cina verso l'indipendenza nel settore dei semiconduttori abbia accelerato sotto pressione, e Reuters riferisce che la Cina ha completato un prototipo di macchina EUVSe lo sviluppo procede come previsto, la produzione di chip potrebbe iniziare già nel 2028, per poi aumentare gradualmente da quel momento in poi.

Ciò non solo potrebbe complicare gli sforzi occidentali per limitare l'accesso della Cina alla produzione all'avanguardia, ma potrebbe anche rappresentare una minaccia a lungo termine per la filiera dei semiconduttori incentrata sull'Occidente, arrivando anni prima di quanto previsto persino da molti analisti ottimisti nei confronti della Cina.

Ad aprile, il CEO dell'ASML Christophe Fouquet ha affermato che la Cina avrebbe avuto bisogno di 'molti, molti anni' per sviluppare tale tecnologia.

"Ma l'esistenza di questo prototipo, riportata per la prima volta da Reuters, suggerisce che la Cina potrebbe essere anni più vicina al raggiungimento dell'indipendenza nel settore dei semiconduttori di quanto previsto dagli analisti."

Come funziona realmente la litografia EUV

Ciò che rende l'EUV così unico, e il motivo per cui è rimasto un monopolio dell'ASML per molti anni, è che l'EUV non è solo una tecnologia, ma l'assemblaggio di numerose prodezze di ingegneria ultra-precisa in un unico sistema integrato.

La prima parte è un CO ultra potente₂ laser da circa 30 kW, che lo rende uno dei laser industriali pulsati più potenti al mondo. Nelle macchine ASML, è prodotto dall'azienda tedesca Trumpf.

Ma non è questo laser a produrre luce EUV; è la fonte di energia. Per generare EUV, il sistema surriscalda minuscole goccioline di stagno fuso trasformandole in plasma, con le macchine ASML che sparano circa 50,000 goccioline di stagno al secondo.

Il plasma deve essere portato a temperature estreme, spesso citate intorno ai 220,000 °C (360,000 °F), creando condizioni molto più calde rispetto alla superficie del Sole e spingendo l'ingegneria industriale ai suoi limiti.

L'intero processo deve inoltre avvenire in un vuoto quasi perfetto, poiché l'aria (e la maggior parte dei materiali) assorbono la luce EUV.

Fonte: Semi-ingegneria

E non è tutto. La luce EUV deve ora essere indirizzata, modellata e focalizzata con una precisione sorprendente per modellare i wafer di silicio all'avanguardia, spesso discussi in termini di densità di transistor che si avvicinano a 100 milioni di transistor per millimetro quadrato per i nodi principali.

Questi specchi curvi, sviluppati dal leader tedesco dell'ottica Zeiss, devono essere fabbricati e allineati con una precisione prossima al livello atomico.

"Se si ingrandisse uno specchio EUV fino alle dimensioni della Germania, la più grande irregolarità, per così dire la Zugspitze, sarebbe alta ben 0.1 millimetri."

Questa precisione è così elevata che l'accuratezza direzionale degli specchi viene spesso descritta con vivide analogie. Ad esempio, se uno specchio EUV venisse utilizzato per reindirizzare un raggio verso la Luna, sarebbe teoricamente sufficientemente preciso da colpire un oggetto piccolo come una pallina da ping pong sulla superficie lunare.

Queste ottiche sono inoltre rivestite da una pila multistrato, spesso composta da materiali alternati come silicio e molibdeno, con uno spessore di soli pochi atomi per strato.

"Per questo, fino a 100 strati sono sovrapposti. Un singolo strato rifletterebbe solo un buon 1% della luce: la perdita sarebbe troppo grande.

Il risultato è una riflettività che rende utilizzabile fino al 70 percento della luce."

Infine, il wafer di silicio stesso deve muoversi e allinearsi con una precisione straordinaria. I sensori misurano il posizionamento in modo continuo e il wafer deve mantenere la precisione, resistendo al contempo alle deformazioni dovute alle variazioni termiche e ai movimenti ad alta velocità.

Quindi, se si prendono in considerazione tutti questi passaggi (e la spiegazione di cui sopra è ancora una semplificazione eccessiva), diventa chiaro perché replicare l'EUV è così difficile: richiede di riprodurre non solo un progetto, ma un vasto ecosistema di materiali, metrologia, controlli, ottica, sistemi di vuoto e produzione ultra-pulita, integrati in un'unica macchina.

Perché l'EUV è così difficile da replicare

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Progetto Manhattan EUV cinese: mobilitazione totale dei semiconduttori

Mobilitazione totale

Considerando quanto siano cruciali i chip all'avanguardia per la concorrenza nell'intelligenza artificiale, nella robotica avanzata e nella tecnologia militare, paragonare la spinta cinese all'EUV a un Progetto Manhattan non è mera retorica: riflette la portata e l'urgenza dello sforzo.

In primo luogo, enormi quantità di capitale pubblico e privato sembrano essere state investite nel più ampio sforzo sui semiconduttori, con almeno 37 miliardi di euro mobilitati all'inizio del 2025e probabilmente di più attraverso la ricerca universitaria, gli impianti industriali, i sussidi ai fornitori essenziali, gli acquisti garantiti e la domanda statale di chip futuri.

E forse non avrebbe dovuto essere una sorpresa completa, con un brevetto relativo a Huawei EUV sarebbe stato depositato a dicembre 2022.

Parallelamente, un'altra azienda cinese, la SMIC, a quanto pare è riuscito a utilizzare vecchie macchine DUV per produrre chip di classe 5nm senza EUV—dimostrando quanto forte sia stato l’incentivo a “arrangiarsi” con strumenti limitati.

È stato esplorato anche un altro concetto: generazione di luce EUV tramite un acceleratore di particelle (sincrotrone), una direzione discussa già nel 2023 e collegata a una pubblicazione scientifica del 2022.

Tutti questi sforzi dimostrano l'enorme importanza che le istituzioni e le aziende cinesi attribuiscono alla padronanza dell'EUV o alla creazione di alternative competitive che ne facciano a meno.

Al centro di questi sforzi c'è stata Huawei, il gigante tecnologico cinese pesantemente sanzionato.

"Huawei ha dislocato i propri dipendenti negli uffici, negli stabilimenti di produzione e nei centri di ricerca in tutto il Paese per questo sforzo."

"I dipendenti assegnati ai team dei semiconduttori spesso dormono in sede e non possono tornare a casa durante la settimana lavorativa, mentre l'accesso al telefono è limitato ai team che gestiscono attività più delicate."

Come l'acquisizione di talenti ha accelerato il programma EUV della Cina

Un altro tentativo di sbloccare l'EUV, più segreto, si sarebbe concentrato sull'acquisizione dell'esperienza e del talento umano che hanno reso possibile l'EUV in primo luogo.

I principali obiettivi di reclutamento erano ingegneri di alto livello, tra cui alcuni che avevano lavorato presso ASML e poi erano andati in pensione. Alcuni rapporti suggeriscono inoltre che altri dipendenti attuali di ASML siano stati contattati per il reclutamento già nel 2020.

"Un veterano ingegnere cinese dell'ASML reclutato per il progetto è rimasto sorpreso nello scoprire che il suo generoso bonus di firma era accompagnato da una carta d'identità rilasciata sotto falso nome, secondo una delle persone a conoscenza del suo reclutamento.

Una volta dentro, riconobbe altri ex colleghi dell'ASML che lavoravano anch'essi sotto pseudonimo e gli fu ordinato di usare i loro nomi falsi al lavoro per mantenere la segretezza."

Si dice che queste assunzioni facessero parte di un più ampio sforzo per portare i migliori talenti in Cina: anni fa, agli esperti di semiconduttori che lavoravano all'estero venivano offerti bonus alla firma e sussidi.

Anche la manipolazione di alcune norme nazionali per agevolare gli esperti assunti sembra essersi verificata in casi isolati. Ad esempio, ad alcuni cittadini naturalizzati di altri Paesi sarebbe stato rilasciato un passaporto cinese e sarebbe stato consentito loro di mantenere la doppia cittadinanza, nonostante la Cina la proibisca ufficialmente.

Anche il fatto che molti di questi ingegneri siano di nazionalità o origine cinese potrebbe aver facilitato il reclutamento.

Nel complesso, le affermazioni secondo cui la Cina "ruba solo tecnologie" sono spesso una semplificazione eccessiva di un ecosistema di ricerca e ingegneria in rapida crescita. Tuttavia, in questo caso specifico, la sovrapposizione con i segreti commerciali ASML potrebbe essere significativa.

"Sebbene ASML non possa controllare o limitare i luoghi di lavoro degli ex dipendenti, tutti i dipendenti sono vincolati dalle clausole di riservatezza nei loro contratti", ha affermato l'azienda, che ha "avviato con successo un'azione legale in risposta al furto di segreti commerciali".

All'interno del primo prototipo litografico EUV della Cina

Il risultato dell'assunzione di ex dipendenti ASML, della retroingegneria di componenti EUV e dello sviluppo indipendente di alternative nazionali sembra aver prodotto un prototipo significativamente più grande dei tipici sistemi EUV da 180 tonnellate delle dimensioni di uno scuolabus di ASML, che a quanto pare occupa un intero piano di fabbrica.

Ciò potrebbe indicare che il prototipo consuma più energia, è meno compatto, meno efficiente o semplicemente si trova in una fase di ottimizzazione precedente rispetto ai progetti di produzione di ASML.

Anche i componenti recuperati da vecchie macchine ASML, insieme ai mercati dell'usato per parti provenienti dai fornitori ASML, avrebbero potuto contribuire ad assemblare un prototipo funzionante mentre la produzione nazionale aumentava o la qualità migliorava.

Un componente chiave che potrebbe ancora mancare, ed essere estremamente difficile da replicare a prestazioni comparabili, è l'ottica Zeiss. Questo sarebbe uno dei motivi per cui la macchina non riesce ancora a produrre chip al livello desiderato.

EUV ad alta NA: il prossimo fronte nella corsa agli armamenti dei chip

Se lo sviluppo dell'EUV da parte dell'ASML ha richiesto decenni, l'emergere di un prototipo cinese suggerisce che il recupero, almeno nella dimostrazione di base del sistema, potrebbe avvenire molto più rapidamente di quanto molti pensassero.

Ciò mette pressione ai leader occidentali del settore dei semiconduttori affinché si impegnino maggiormente nella prossima generazione: EUV ad alta NA (apertura numerica).

L'EUV ad alta NA è già in fase di test da parte di aziende come Intel (INTC ), ed è stato valutato da Samsung e TSMC. Intel ha pubblicamente fissato tempi di produzione intorno al 2028, mentre sia TSMC che Samsung sembrano più caute, riservando l'EUV ad alto NA per i futuri nodi <2nm piuttosto che accelerarne l'implementazione su larga scala.

"Quanto più ampi sono gli angoli da cui il sistema ottico capta la luce, tanto più fini sono i dettagli visualizzati. Ciò significa che i sistemi ottici EUV stanno diventando sempre più grandi."

Zeiss sull'EUV ad alto NA

I sistemi High-NA utilizzano elementi ottici ancora più grandi, che potrebbero garantire un vantaggio duraturo ad ASML tramite il suo partner ottico Zeiss.

Fonte: Zeiss

Uno specchio per la litografia EUV ad alta NA è circa due volte più grande e dieci volte più pesante degli attuali specchi EUV, rendendo il sistema complessivo ancora più grande, pesante e complesso.

“Oltre 40,000 parti dell'ottica di proiezione per la litografia High-NA-EUV pesano circa dodici tonnellate per garantire una messa a fuoco ad alta precisione, ovvero sette volte il volume e il peso della litografia EUV consolidata.”

Cosa significa per gli investitori?

Nel breve termine, la situazione probabilmente cambierà poco. Secondo quanto riferito, il veicolo EUV cinese è solo un prototipo e non è ancora chiaro quanto si basi su componenti ASML riutilizzati o recuperati rispetto a componenti realizzati esclusivamente in Cina.

Tuttavia, è difficile presumere che la Cina fallirà indefinitamente. Con sufficienti specialisti, finanziamenti e tempo, non vi è alcuna chiara ragione di credere che le istituzioni cinesi non possano replicare gran parte delle capacità dell'EUV, soprattutto con la maturazione dell'ecosistema più ampio di componenti, materiali e metrologia.

Anche lo scetticismo sul fatto che la Cina non possa sostituire un componente specifico, come gli specchi Zeiss, dovrebbe essere trattato con cautela. Analisi simili in precedenza suggerivano che la Cina fosse indietro di oltre 15 anni, eppure ora è stato segnalato un prototipo.

Nel lungo termine (5-10 anni), la Cina potrebbe costruire una filiera parallela di semiconduttori, indipendente non solo a livello di fonderia, ma anche a livello di produzione delle apparecchiature.

Inizialmente, la produzione nazionale avanzata darebbe probabilmente priorità alla domanda interna, riducendo le vendite alla Cina di chip avanzati, strumenti di produzione e componenti di supporto.

Nel tempo, ciò potrebbe mettere sotto pressione il fatturato e i margini dei produttori e dei fornitori occidentali di apparecchiature per semiconduttori, riducendo la loro capacità di reinvestire ai precedenti livelli di ricerca e sviluppo.

Ciò che preoccupa di più aziende come ASML e altri produttori di apparecchiature, e persino le fonderie, è il fatto che i chip avanzati realizzati in Cina potrebbero alla fine competere direttamente sui mercati esteri, in particolare attraverso le reti commerciali in espansione dei BRICS e della SCO (Shanghai Cooperation Organization).

Conclusione

La comparsa di un prototipo cinese di veicolo spaziale europeo (EUV) anni prima di quanto molti si aspettassero rappresenta una vera e propria pietra miliare. Ciò suggerisce che è improbabile che i controlli sulle esportazioni e le sanzioni possano limitare in modo permanente la capacità tecnologica in un settore in cui l'Occidente detiene da tempo un vantaggio strutturale.

Nella migliore delle ipotesi, le restrizioni potrebbero ritardare i progressi; nella peggiore, potrebbero accelerarli creando un mercato interno protetto di circa 1.5 miliardi di persone con un forte sostegno statale e una forte capacità industriale.

Ciò non significa che la Cina inizierà immediatamente a produrre chip all'avanguardia su strumenti EUV nazionali. Significa però che la traiettoria verso tale obiettivo è ora più chiara, e probabilmente più rapida, di quanto molti avessero precedentemente ipotizzato.

Nel complesso, ciò rafforza l'idea che la Cina si sta evolvendo in una grande potenza tecnologica e non semplicemente nella più grande base manifatturiera del mondo.

Alcune analisi sostengono che la Cina è ora leader in una larga quota di settori scientifici avanzati, che sfida la narrativa semplicistica secondo cui il progresso avviene solo attraverso l'imitazione, anche se le controversie sui segreti commerciali e i conflitti sulla proprietà intellettuale rimangono una caratteristica reale di questa competizione.

Sebbene la svolta cinese modifichi l'orizzonte a lungo termine, gli investitori che puntano a un dominio immediato nel settore dei semiconduttori devono comunque guardare all'attuale leader di mercato.

Azienda di semiconduttori – TSMC

L'ascesa della Cina come potenza tecnologica è strategicamente significativa, ma per ora le attrezzature cinesi per la produzione di semiconduttori sembrano ancora inferiori, o solo vicine, ai sistemi occidentali più avanzati.

Pertanto, quando si parla di fonderia, è probabile che la disciplina dei processi, l'apprendimento della resa e l'esperienza operativa continueranno a essere determinanti nel prossimo decennio.

In definitiva, la produzione di semiconduttori è dominata da competenze di nicchia e dalla capacità di produrre in serie su larga scala per ridurre i costi. Nessuna azienda ha padroneggiato questo modello meglio di TSMC, leader taiwanese nella produzione di chip ultra-avanzati.

TSMC produce principalmente chip in silicio, inclusi i più potenti nodi a 3 nm e i prossimi a 2 nm. E poiché produce i chip più avanzati (e più costosi), detiene una quota dominante del fatturato globale delle fonderie.

Fonte: di Eric Flaningam

TSMC sta inoltre espandendo la capacità produttiva negli Stati Uniti, in particolare attraverso importanti investimenti nelle sue fabbriche in Arizona.

Con lo sviluppo dell'EUV ad alta NA già in corso, TSMC potrebbe rimanere un passo avanti rispetto ai rivali cinesi come SMIC per anni, soprattutto in termini di resa, affidabilità e maturità della produzione su larga scala.

E anche se ha dovuto competere duramente con Samsung, Intel e altre fonderie, TSMC è ancora in grado di difendere il suo vantaggio contro la crescente concorrenza cinese, almeno nel prossimo futuro.

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