Een machine van 14 meter lang, honderdduizenden onderdelen en een prijskaartje van 400 miljoen euro. Toch is zelfs dit apparaat aan verbetering toe.
ASML, de Eindhovense maker van lithografiemachines, heeft een coalitie van toonaangevende chipfabrikanten gevormd om zijn meest geavanceerde machine — de zogeheten High-NA EUV — ingrijpend te upgraden. De Taiwanese chipgigant TSMC speelt daarin een centrale rol, maar ook Intel, Samsung en diverse geheugenchipmakers doen mee. Het gezamenlijke doel: snellere en krachtigere chips voor artificiële intelligentie.
Wat is een lithografiemachine en waarom is ze zo complex?
Een lithografiemachine is in essentie een uiterst verfijnd kopieerapparaat. Licht valt op een masker — een soort blauwdruk met het chippatroon — en projecteert dat patroon vervolgens op een fotogevoelige laag op een siliciumschijf, de zogenoemde wafer. Dit proces herhaalt zich totdat de volledige schijf is bedrukt.
ASML is wereldwijd de enige fabrikant die hiervoor extreem ultraviolet licht (EUV) inzet. Dat licht heeft een bijzonder korte golflengte, waardoor het fijnmazige patronen kan tekenen. Transistors kunnen zo dichter bij elkaar worden geplaatst. Moderne chips van Apple, Nvidia of Intel bevatten tientallen miljarden van zulke transistors, opgebouwd uit lijntjes die slechts enkele tientallen nanometers van elkaar liggen — een nanometer is een miljoenste van een millimeter.
EUV bestaat in twee varianten. De oudere Low-NA-systemen werken met kleinere lenzen. De nieuwere High-NA-systemen gebruiken grotere lenzen die nóg kleinere details kunnen projecteren. Maar er is een keerzijde: het belichtingsveld van High-NA is aanzienlijk kleiner dan bij een gewone EUV-machine. Het is alsof je een muur moet schilderen met een smalle kwast in plaats van een brede roller — het duurt simpelweg langer.
Waarom is een upgrade nodig?
Toen ASML-ingenieurs rond 2014 de High-NA-machine ontwierpen, maakten ze een pragmatische keuze. Ze wilden niet afhankelijk zijn van externe leveranciers, zoals de gefragmenteerde markt van maskerproducenten — een sector met veel kleine spelers en beperkte budgetten. Bovendien werkte EUV op dat moment nog niet betrouwbaar genoeg. Het huidige maskerformaat van 6 bij 6 inch was het resultaat van die afweging.
Dat compromis heeft nu consequenties. Grote chipontwerpen, met name voor AI-toepassingen, moeten voor de High-NA-machine eerst in tweeën worden geknipt en daarna in een extra stap weer worden samengevoegd. Dat kost tijd en geld. De oplossing is even eenvoudig als ingrijpend: een groter masker.
Het nieuwe maskerformaat wordt 12 bij 6 inch — twee keer zo lang als het huidige. Die aanpassing lijkt technisch overzichtelijk, maar heeft verstrekkende gevolgen. De gehele chipindustrie moet meebewegen: machinefabrikanten, maskerproducenten en chipmakers tegelijk. Dat lukt alleen met brede samenwerking. Geen enkel bedrijf, ook ASML niet, kan zo’n technologische verschuiving in zijn eentje doorvoeren.
De tijdlijn
„We verwachten dat High-NA daardoor sneller omarmd gaat worden”, zei ASML-topman Christophe Fouquet bij de aankondiging. Nu ASML en TSMC gezamenlijk afzet garanderen, verwacht de sector dat ook maskerproducenten zich achter het grotere formaat zullen scharen.
TSMC bouwt twintig nieuwe fabrieken
TSMC is hofleverancier voor de meest geavanceerde chipontwerpers ter wereld: Nvidia, Apple, Google en AMD rekenen allemaal op de Taiwanese producent. Het bedrijf bouwt momenteel twintig nieuwe fabrieken, hoofdzakelijk in Taiwan. Door de sterk gestegen vraag naar AI-chips verwacht TSMC bijna twee keer zoveel te investeren in chipmachines, zo liet operationeel directeur Cliff Hou vorige week weten tijdens een conferentie in Taiwan.
De AI-markt vraagt om rekenkracht die de chipindustrie nauwelijks bij kan benen. Transistors krimpen minder snel dan vroeger, waardoor chips groter worden. Ontwerpers stapelen onderdelen op elkaar om toch meer rekenkracht en opslagcapaciteit op hetzelfde oppervlak te realiseren. ASML behaalde in het afgelopen kwartaal een omzet van 9,3 miljard euro, waarvan 6,6 miljard uit de verkoop van chipmachines. Daarvan was 57 procent afkomstig uit EUV-systemen.
China en de concurrentiestrijd om EUV
Chinese chipmakers lopen eerder tegen de grenzen van miniaturisering aan. Vanwege exportrestricties mogen er geen EUV-machines naar China worden geëxporteerd. Als alternatief zetten Chinese producenten multipatterning in — een techniek waarbij fijnmazige patronen in meerdere stappen worden aangebracht — en stapelen ze chipontwerpen op slimme manieren.
Tegelijkertijd werkt China hard aan eigen EUV-achtige lithografie. Huawei en universiteiten in Beijing en Shanghai doen onderzoek naar nieuwe lichtbronnen voor chipmachines. Wanneer die technologie op industriële schaal inzetbaar is, blijft vooralsnog onduidelijk.
Ook Elon Musk roert zich in dit debat. Hij overweegt een zogeheten Terafab te bouwen: een extreem grote chipfabriek in Texas. Waar ASML EUV-licht opwekt door tindruppeltjes te laten exploderen, wil Musk een vrije-elektronenlaser inzetten — een soort deeltjesversneller die meerdere lithografiemachines tegelijk van licht kan voorzien. Concrete plannen ontbreken vooralsnog. Het blijft toekomstmuziek, maar het illustreert hoe groot de mondiale inzet rondom chipmachinerie inmiddels is geworden.