Рентгенолитография vs High-NA EUV: сможет ли США вернуть лидерство в производстве чипов?

У США появился новый шанс вернуть лидерство в производстве микрочипов. В сердце любого передового завода стоит литографический сканер, который «пишет» схемы будущего чипа на кремниевой пластине. Сегодня вершину этой пирамиды занимает EUV-литография (Extreme Ultraviolet) с длиной волны 13,5 нм — именно она позволяет рисовать крошечные, невероятно плотные структуры, без которых немыслимы современные процессоры. Когда однокристальная система класса 3 нм вмещает 20–30 миллиардов транзисторов (а порой и больше), без столь короткой волны и сверхточной оптики просто не обойтись.

EUV не возникла на пустом месте: ей предшествовала DUV-литография (Deep Ultraviolet) на 193 нм, благодаря которой индустрия прошла путь от 28 и 14 нм к 10 нм. Но физика диктует свои правила: чем короче волна, тем меньше минимальный размер элементов и слабее дифракционное «размытие». Больше транзисторов на квадратный миллиметр означает рост производительности при меньшем энергопотреблении — критически важный фактор и для дата-центров, и для смартфонов.

Цена у этой магии космическая. «Обычная» установка Low-NA EUV оценивается в 150–200 млн долларов — это стоимость источника света на основе капель олова и плазмы, абсолютной чистоты зеркал, виброгасящих платформ и лабораторий, напоминающих научную фантастику. Следующий шаг — High-NA EUV с числовой апертурой около 0,55 против ~0,33 у предыдущего поколения. Более высокая NA увеличивает угол входа света в оптику, поднимает разрешение и позволяет печатать ещё более мелкие элементы с лучшим контролем границ. Цена вопроса — примерно 350–380 млн долларов за один сканер, не считая монтажа, сервисной инфраструктуры, расходников, а также всего экосистемного хвоста: фоторезистов, масок и измерительного оборудования.

Зачем так важна High-NA? Без неё фабам приходится активно применять мультишаблонность: разбивать один рисунок на несколько экспозиций и многократно совмещать их с идеальной точностью. Это повышает длительность цикла, усложняет техпроцесс и увеличивает риск ошибок совмещения, что бьёт по выходу годных кристаллов. Больше шагов — больше износа ретикул, сложности с пеликлями и выше вероятность стохастических дефектов в критических линиях. Да, так можно работать, но цена и технические риски растут быстрее, чем хочется.

Есть и стратегическая сторона: производителем EUV-сканеров является только одна компания — нидерландская ASML. Это технологическая уникальность, переплетённая с геополитикой и экспортным контролем, что вынуждает страны и корпорации искать пути к технологическому суверенитету. На этом фоне любая реальная альтернатива «единственному поставщику» моментально становится темой не только для инженеров, но и для стратегов.

На сцену выходит американский стартап Substrate, который делает ставку на рентгенолитографию (XRL), питаемую компактными ускорителями частиц. Идея дерзкая: разгонять электроны (или ионы) до околосветовых скоростей и преобразовывать их энергию в сверхяркое излучение, которое на порядок мощнее традиционных источников — «пучок, ярче Солнца» на плоскости экспонирования. Обещание компании звучит конкретно: обеспечить разрешение, достаточное для 2-нм-класса и дальше, при меньших эксплуатационных издержках, а также упростить оптическую часть за счёт новых оптик и высокоскоростной механики, оптимизированных под X-ray.

Если это получится, «закон Мура» проживёт дольше. Напомним: формулировка Гордона Мура — это эмпирическое наблюдение, что плотность транзисторов удваивается примерно раз в два года. Но по мере приближения к атомным масштабам ключевым ограничителем становится экономика. Здесь к уравнению добавляют «закон Рока»: стоимость передовой фабрики удваивается каждые четыре года. То, что десять лет назад строили за условные 5 млрд долларов, сегодня нередко тянет на 25+ млрд — и это без учёта последующих расходов на инструменты, сервисы, энергию и штаты.

Substrate рисует жёсткий сценарий к 2030-му: если индустрия и дальше будет наращивать сложность мультишаблонности и жить со «скудным» рынком сверхдорогих инструментов, стоимость одной передовой пластины может подскочить к 100 тысячам долларов (сегодня для 2-нм уровней часто называют ориентиры около 30 тысяч). Заводы — по 50+ млрд за штуку. В такой реальности топовые техпроцессы станут клубом для избранных, и барьер входа для новых продуктов вырастет выше физических лимитов. Стартап же обещает противоположное: к концу десятилетия подвести стоимость передовых плаcтин ближе к 10 тысячам, чем к 100, и этим сломать «экономику стагнации».

Как XRL способна изменить расклад? Теоретически более короткие эффективные длины волн и иная геометрия облучения уменьшают сложность масок и сокращают число экспозиций. Меньше шагов — меньше шансов ошибиться при совмещении, ниже стохастика, короче цикл. А если источник стабилен и чрезвычайно яркий, можно ускорять сканирование и повышать производительность. Но переход непрост: рентген по-другому взаимодействует с материалами, значит, нужны новые физико-химические рецептуры фоторезистов с чувствительностью и низкой шероховатостью границ; иначе будет «растрескивание» и потеря профиля. Маски, теплоотвод, встроенная метрология — всё требует переизобретения или радикальной адаптации. Каждое обещание — это десятки патентов, годы прототипирования и болезненная интеграция в реальную линию.

Тем не менее момент выбран удачно. США уже инвестируют в расширение локального производства и укрепление цепочек поставок. Технология, которая снижает зависимость от единственного иностранного поставщика и одновременно бьёт по взрывному росту себестоимости, идеально ложится на цели индустриальной политики. Если Substrate сможет поставить в цеха надёжные, сертифицированные инструменты, совместимые с требуемыми показателями 2-нм-класса (и ниже), и встроить их в стандартные маршруты фотолитографии, эффект будет трудно переоценить.

Но трезвость важнее эйфории. High-NA EUV уже «в металле», проходит квалификации партия за партией, за ним — зрелая экосистема резистов и измерений, и годы практик по статистике дефектов и стохастике. Любой претендент обязан доказать готовность по аптайму, совмещению, равномерности критических размеров, стратегии масок/пеликлей и полной стоимости владения. Фабы будут вести длительные пилоты, прежде чем доверят массовые продукты. Победит не самая эффектная физика, а технология, которая устойчиво обеспечивает нужную норму годности чипов при минимальной цене «хорошего» кристалла.

И всё же потенциальная выгода велика. Представьте передовые техпроцессы, доступные не только «титанам», но и более широкому кругу разработчиков. Конкуренция на переднем крае ускорит прогресс в ИИ-ускорителях, вычислениях «на краю», радиочипах для 6G, электронике управления квантовыми системами, энергоэффективных решениях для дата-центров. В этом и суть обсуждаемого прорыва: не просто новый источник света, а попытка перезагрузить экономику литографии, чтобы расширить круг участников гонки.

Какой бы путь ни победил — эволюционный с High-NA EUV или более радикальный с ускорителями и X-ray, цель одинакова: продолжать масштабирование, повышать производительность на ватт и снижать стоимость вычислений. Заявка Substrate одновременно «продлить закон Мура» и «сломать закон Рока» звучит смело. Впереди — тяжёлая инженерия, сертификация и альянсы с индустрией. Но если замысел взлетит, США получат не декларативное, а практическое преимущество — в ежедневном ритме «вафли на входе — кристаллы на выходе».