În interiorul unei „camere curate” din cadrul campusului extins al ASML din orașul olandez Veldhoven, zeci de bărbați și femei în costume de protecție respiră un aer de 10.000 de ori mai purificat decât într-o sală de operații.
Aceștia lucrează la primul prototip al celui mai nou produs al producătorului de unelte pentru cipuri: ultima generație de mașini de fotolitografie cu ultraviolete extreme care vor fi folosite pentru a „imprima” tranzistori aproape la fel de mici ca diametrul unui cromozom uman pe foi de siliciu pentru a face un semiconductor. Această mașină EUV urmează să fie livrată către Intel în acest an, la un cost de peste 350 de milioane de euro.
Fără mașinile litografice ale ASML, produse atât de omniprezente precum iPhone-urile Apple sau atât de sofisticate precum cipurile Nvidia care alimentează ChatGPT ar fi imposibile. Doar trei companii din lume – Intel, Samsung și TSMC – sunt capabile să fabrice procesoarele avansate care fac posibile aceste produse; pentru aceasta, toate se bazează pe echipamentele de ultimă generație ale ASML.
Inovațiile realizate de ASML au asigurat faptul că tranzistorii au continuat să se micșoreze, făcând astfel cipurile mai puternice. Ritmul progresului din industria tehnologică din ultimele cinci decenii a fost posibil datorită creșterii exponențiale a densității tranzistorilor semiconductoarelor.
Acest ritm de producție a fost prezis de co-fondatorul Intel, Gordon Moore, care a afirmat în 1965 că numărul de tranzistori încorporați într-un cip se va dubla aproximativ în fiecare an – o proiecție, revizuită ulterior la fiecare doi ani, care a devenit cunoscută sub numele de Legea lui Moore.
În timp ce Intel însăși a fost responsabilă pentru o mare parte din acest progres, prin inovațiile sale neobosite în domeniul fabricării semiconductorilor și al ingineriei de procesare, ASML este acum considerată ca fiind cea care menține în viață Legea lui Moore, ajutând la fabricarea de cipuri de mărimea unei unghii care pot conține aproximativ 50 de miliarde de tranzistori.
„Ce a impulsionat Legea lui Moore? În principiu, litografia”, spune Jamie Mills O’Brien, manager de investiții la Abrdn, un investitor de top 50 în ASML.
Această schimbare de valoare se reflectă în evaluările bursiere ale celor două companii. ASML, listată la Amsterdam și New York, valorează acum aproximativ de două ori mai mult decât Intel. Pionierul american al cipurilor a ratat în mare măsură megatendințele din ultimul deceniu în domeniul smartphone-urilor și al inteligenței artificiale, deoarece nu a putut ține pasul cu producătorul taiwanez de cipuri TSMC, el însuși unul dintre primii care a adoptat tehnologia EUV a ASML.
Cu toate acestea, producătorii de cipuri se confruntă acum cu o provocare descurajantă. Predicția lui Moore a rămas în urmă, iar cadența este acum mai aproape de trei ani. Cele mai recente cipuri de 3 nanometri, produse în masă pentru iPhone-urile din acest an, vor fi urmate de ceea ce unii consideră a fi un salt și mai mare înainte, până la 2nm, până în 2025. „Dar odată ce ajungi la 1,5nm, poate 1nm, Legea lui Moore este 100% moartă”, spune Ben Bajarin, analist de tehnologie la Creative Strategies, cu sediul în Silicon Valley. „Pur și simplu nu mai există nicio posibilitate”.
Inginerii de cipuri au sfidat previziunile privind sfârșitul Legii lui Moore de ani de zile. Dar numărul de tranzistori care pot fi împachetați pe o matrice de siliciu începe să se lovească de limitele fundamentale ale fizicii. Unii se tem că defectele de fabricație cresc ca urmare a acestui fapt; costurile de dezvoltare au crescut deja. „Aspectele economice ale legii au dispărut”, spune Bajarin.
Acest lucru a trimis proiectanții de cipuri într-o luptă în ultimii ani pentru a găsi modalități alternative de a susține progresele în ceea ce privește puterea de procesare, de la noi tehnici de proiectare și materiale până la utilizarea chiar a IA permisă de cele mai recente cipuri pentru a ajuta la proiectarea altora noi.
Miza nu este doar susținerea unui ritm de inovare care a susținut industria tehnologică și, prin extensie, creșterea economică continuă și îmbunătățirile radicale ale vieții noastre de zi cu zi timp de decenii. Pentru ca dezvoltările, de la inteligența artificială și „metaversul” la progresele promise de mult timp în domeniul energiei curate și al transportului autonom, să se ridice la înălțimea potențialului lor, atunci cipurile trebuie să continue să devină mai ieftine, mai puternice și mai eficiente.
„Într-o zi trebuie să se oprească”, a avertizat Moore, care a murit în martie, în 2015, când lucrarea sa originală a marcat 50 de ani de la apariția sa. „Niciun exponențial ca acesta nu continuă la nesfârșit”.
Creștere exponențială
Dacă ASML păstrează Legea lui Moore intactă, pentru a face acest lucru trebuie să cheltuiască miliarde de dolari, realizând în același timp performanțe insondabile de fizică și inginerie.
Desprinsă din Philips în anii 1980, ASML și-a început activitatea într-o cabină de transport în parcarea sediului companiei-mamă din Eindhoven, un mic oraș cu mai puțin de 300.000 de locuitori. În prezent, ASML este cea mai valoroasă companie tehnologică din Europa, cu o capitalizare de piață de aproximativ 275 de miliarde de euro.
De la sediul său din Veldhoven, la doar câțiva kilometri de acel portacabină, ASML produce mașini capabile să vaporizeze picături minuscule de staniu topit de până la 50.000 de ori pe secundă, creând o lungime de undă de lumină de 13,5 nm. Această lumină EUV este apoi ricoșată într-o serie de oglinzi în interiorul unei camere de vid, îngustată și focalizată până când atinge o plachetă de siliciu.
„Legea lui Moore este un vehicul al economiei: la fiecare doi-trei ani poți dubla performanța la același cost”, spune directorul executiv al ASML, Peter Wennink.
Dar, adaugă el, „există o altă funcție a Legii lui Moore despre care nimeni nu vorbește: Legea lui Moore a complexității. La fiecare doi-trei ani apare o nouă generație de cipuri. Nu este din ce în ce mai ușor. De asemenea, complexitatea crește exponențial”.
Mașina de mare deschidere numerică (NA) a companiei este cel mai recent rezultat al uriașei sale investiții în cercetare și dezvoltare, care a crescut cu 30%, ajungând la 3,3 miliarde de euro în 2022. High-NA extinde în esență deschiderea numerică – sau gama de unghiuri – pe care lumina poate fi îndoită și emisă, permițându-i să creeze modele de tranzistori mai mici pe o plachetă.
ASML are doar cinci clienți pentru mașinile sale EUV existente – TSMC în Taiwan, Samsung și SK Hynix în Coreea de Sud, precum și Intel și Micron în SUA. Toți aceștia au comandat cel mai recent model.
Monopolul companiei olandeze asupra mașinilor EUV (este, de asemenea, cel mai mare producător de mașini cu ultraviolete profunde, sau DUV, care sunt cruciale pentru producția cipurilor mai mari și mai omniprezente care se găsesc în mașini și aparate de uz casnic) i-a câștigat fani pe Wall Street, precum și în Silicon Valley.
Profiturile ASML s-au mai mult decât dublat în ultimii cinci ani, cu o creștere corespunzătoare de 300 de procente a prețului acțiunilor sale de la jumătatea anului 2018.
În ciuda faptului că în prezent este prinsă într-o luptă geopolitică acerbă între SUA și China și a unei încetiniri mai ample a cererii de cipuri după ce boom-ul provocat de pandemii a creat o supraofertă de stocuri, ASML pariază pe o dublare a dimensiunii pieței semiconductorilor în următorii ani: de la 600 miliarde de dolari în prezent la până la 1,3 miliarde de dolari până în 2030.
Are un portofoliu de comenzi în valoare de 40 de miliarde de dolari pentru a dovedi că cererea este încă rezistentă și intenționează să investească peste 4 miliarde de euro în cercetare și dezvoltare până în 2025 pentru a-și susține ritmul de inovare.
Dacă sfârșitul Legii lui Moore amenință toate acestea, Wennink face o treabă bună în a pretinde contrariul. El nu este „deloc îngrijorat” de acest lucru, spune el, dar recunoaște că așteptarea de progres continuu este „cel mai mare concurent” al ASML.
„Suntem cea mai scumpă mașină din procesul de producție”, spune el. „Dacă nu putem oferi clienților noștri capacitatea de a reduce costurile sau de a crește valoarea, clienții noștri vor găsi alte modalități”.
Extinderea Legii lui Moore
Proiectanții de cipuri au început deja să planifice pentru o astfel de eventualitate. „Există multe instrumente pentru a înghesui mai mulți tranzistori”, spune Nigel Toon, directorul executiv al Graphcore, start-up-ul de cipuri de inteligență artificială cu sediul în Marea Britanie.
„Legea lui Moore poate că a luat sfârșit, dar asta nu înseamnă că inovația a murit”, spune Hassan Khan, membru executiv la Universitatea Carnegie Mellon, care conduce activitatea Rețelei naționale americane de evaluare a tehnologiilor critice privind semiconductorii și lanțurile de aprovizionare.
„În sfera publică există o confuzie între Legea lui Moore și progresul tehnic, ca și cum singurul lucru care conduce inovația ar fi tranzistorii mai ieftini. Oamenii sunt deștepți în a găsi blocaje și a găsi modalități de a le ocoli.”
După mai multe decenii în care „unitatea centrală de procesare” inițiată de Intel a permis crearea de computere de uz general, de tip „cuțit elvețian”, cum ar fi PC-urile și smartphone-urile, „legătura dintre hardware și software revine”, spune Ondrej Burkacky, care co-lideră practica McKinsey în domeniul semiconductorilor.
Poate că cel mai răspândit exemplu în acest sens este iPhone.
Cipurile personalizate reprezintă o mare parte din modul în care Apple a reușit să continue să își diferențieze smartphone-urile de cele care rulează sistemul de operare Android al Google. Apple este capabilă să dezvolte caracteristici software specifice pentru iPhone în colaborare cu echipa sa internă de proiectare a siliciului, care numără acum mii de persoane. Acest lucru este mai dificil pentru producătorii Android, deoarece software-ul Google trebuie să susțină mii de mărci diferite de telefoane, de la telefoanele de bază ieftine până la cel mai recent model emblematic al Samsung, care costă peste 1.000 de dolari.
Apple ajustează cu finețe cipurile standard din industrie pentru smartphone-uri, proiectate de Arm, cu sediul în Marea Britanie, pentru a asigura o performanță mai rapidă sau o durată de viață mai lungă a bateriei pentru iPhone-urile sale. A devenit atât de bună la acest lucru, încât a reușit să înlocuiască Intel cu un cip personalizat bazat pe Arm pentru Mac-urile sale în 2020.
Există o altă funcție a Legii lui Moore despre care nimeni nu vorbește: Legea lui Moore a complexității. La fiecare doi-trei ani există o nouă generație de cipuri. Nu este din ce în ce mai ușor
Pe măsură ce proiectanții caută performanțe din ce în ce mai mari pentru anumite sarcini, unele companii merg chiar mai departe, regândind „arhitecturile” cipurilor, sau elementele fundamentale ale modului în care sunt proiectate și împachetate procesoarele. Companii precum Graphcore pot „începe cu o foaie de hârtie curată”, spune Toon. „Trebuie să vă gândiți mai mult la arhitectura potrivită pentru aplicația potrivită”.
Nvidia, în prezent cea mai valoroasă companie de semiconductori din lume, cu o capitalizare de piață care a atins 1 miliard de dolari în această săptămână, și-a tăiat dinții cu plăci grafice de nișă pentru jucătorii de jocuri video și cercetători înainte de a atinge aurul atunci când unitățile sale de procesare grafică au devenit o necesitate pentru fiecare companie de inteligență artificială. Atât grafica, cât și inteligența artificială se potrivesc bine cu tehnologia de „procesare paralelă” a Nvidia, care este construită pentru a gestiona sarcini repetitive, cum ar fi redarea poligoanelor sau calcularea algoritmilor.
În primii 30 de ani de existență a Nvidia, potrivit șefului și co-fondatorului său Jensen Huang, „am fost compania la care apelai pentru a rezolva probleme aproape imposibile”.
Problema a fost că volumele implicate în alimentarea sectoarelor de cercetare, cum ar fi biologia computațională și domenii similare, erau „minuscule, fiecare dintre ele”, spune el pentru Financial Times. „Activitatea companiei noastre era caracterizată ca fiind: „Noi rezolvăm problemele de zero miliarde de dolari””, spune el. „Apoi, dintr-o dată, Legea lui Moore a luat sfârșit …Acum suntem compania de calculatoare „dacă vrei să te dezvolți”.”
Cu toate acestea, o consecință a faptului că inovarea în domeniul cipurilor este mai restrânsă este că orice descoperire tinde să fie mai bine păzită și mai puțin transferabilă pe o piață mai largă.
„În anii 1990 și la începutul anilor 2000, costul pe tranzistor și capacitatea de a construi cipuri mai complexe au fost aproximativ gratuite pentru întreaga industrie”, spune Khan. „(Acum) calculul este mai puțin o tehnologie de uz general …Dacă eu optimizez cipurile pentru inteligența artificială, acest lucru ar putea face ca GPT să fie mai eficiente sau mai puternice, dar s-ar putea să nu se răsfrângă asupra restului economiei.”
O altă delta cheie a inovației se află în „ambalarea” cipurilor. În loc să tipărească fiecare componentă pe aceeași bucată de siliciu, pentru a crea ceea ce se numește un „sistem pe un cip”, companiile de semiconductori vorbesc acum despre potențialul „cipurilor” care permit ca „blocuri de construcție” mai mici să fie amestecate și potrivite, deschizând o nouă flexibilitate în proiectare și în aprovizionarea cu componente.
Intel a descris cipurile ca fiind „cheia extinderii Legii lui Moore în următorul deceniu și dincolo de acesta” și anul trecut a reunit un consorțiu de producători și proiectanți de cipuri, inclusiv TSMC, Samsung, Arm și Qualcomm, pentru a stabili standarde pentru construirea acestor procesoare asemănătoare cu Lego.
Richard Grisenthwaite, arhitect-șef la Arm, designer de cipuri, spune că unul dintre avantajele cipurilor în comparație cu cipurile tradiționale „monolitice” este că firmele pot combina procesoare complexe și scumpe cu altele mai vechi și mai ieftine. Trucul, avertizează el, este să se asigure că cheltuielile suplimentare pentru împachetarea mai multor componente împreună sunt mai mult decât compensate de economiile realizate prin utilizarea unor piese mai vechi și mai ieftine.
O chestiune de fizică
Dar ideile noi vin cu obstacole noi. O provocare cheie a multora dintre aceste inovații, spune Burkacky de la McKinsey, este faptul că ele tind să producă cipuri mai mari, ceea ce, la rândul lor, creează o suprafață mai mare pentru imperfecțiuni.
„Un defect este de obicei o impuritate – o particulă din aer sau din procesul chimic care cade pe suprafață, care poate ucide funcționalitatea unui cip”, spune el. „Probabilitatea este mai mare atunci când cipul este mai mare”.
Acest lucru poate avea implicații fatale pentru randamentele de producție ale producătorilor de semiconductori, care, potrivit lui Burkacky, pot scădea până la 40-50%, ceea ce face ca un proces costisitor să fie și mai dificil din punct de vedere economic.
Cipurile mai mari și mai puternice pot consuma, de asemenea, mai multă energie electrică, creând atât de multă căldură în interiorul unui centru de date încât sunt necesare sisteme de răcire radical diferite și mai energofage – cum ar fi răcirea prin imersie – pentru a obține performanțe maxime.
Dar, la celălalt capăt al scalei, cipurile mai mici pot cauza, de asemenea, probleme de fiabilitate, potrivit unor cercetători. O echipă de la Google a publicat în 2021 o lucrare intitulată „Cores that don’t count” (nuclee care nu contează), după ce inginerii centrelor sale de date au observat ceea ce au descris ca fiind un comportament „mercurial” al cipurilor îngropate în centrele lor vaste de date.
„Pe măsură ce fabricarea (cipurilor) se împinge spre dimensiuni mai mici ale caracteristicilor … am observat erori de calcul efemere care nu au fost detectate în timpul testelor de fabricație”, au scris inginerii de la Google, conduși de Peter Hochschild. „Mai rău, aceste defecțiuni sunt adesea „silențioase”: singurul simptom este un calcul eronat.”
Hochschild a concluzionat că „cauza fundamentală” a fost „dimensiunile din ce în ce mai mici ale caracteristicilor” care se apropie de limitele scalării siliciului, împreună cu „complexitatea tot mai mare a designului arhitectural”.
„Până acum, (susținerea Legii lui Moore) a fost o provocare pentru industrializare”, spune Burkacky. „Nu vreau să minimalizez acest lucru – a fost super complicat și greu – dar ajungem la un punct în care acum vorbim de fizică …Ajungem până la un singur atom. Până acum, în fizică, acesta este sfârșitul poveștii”.
Într-o bună zi, computerele cuantice ar putea oferi un salt înainte mult promis în ceea ce privește puterea de calcul, asemănător cu progresele în domeniul siliciului care au început în anii 1960. Dar chiar și cei mai optimi susținători ai calculatoarelor cuantice recunosc că va fi probabil nevoie de mai mult de un deceniu pentru a le face utile pentru sarcinile de calcul practice, de zi cu zi.
Între timp, Toon este optimist că cipuri precum cele de la Graphcore vor putea debloca noi tipuri de progrese.
„Părerea mea este … vom construi computere atât de puternice și o inteligență artificială atât de puternică, încât vom putea să înțelegem de fapt cum funcționează moleculele și apoi vom începe să folosim aceste computere cu inteligență artificială pentru a construi computere moleculare”, spune el.
„Această idee a singularității (când IA depășește inteligența umană) este o prostie, dar ideea că poți folosi IA pentru a crea o nouă frontieră a calculatoarelor este perfect practică.”
Sursa – www.ft.com
