Verdens viktigste teknologi har blitt mindre i 50 år. Nå er det snart slutt

Når man fra 16. etasje, nær administrasjonsgangen, skuer ut over nederlandske ASMLs hovedkvarter, merker man raskt at dette er et av Europas ledende selskaper – og et selskap i vekst.

Kraner stikker opp mellom kontorbygninger i flere etasjer, skjermede renrom og enorme produksjonshaller. Gravemaskiner og gaffeltrucker bidrar til nye bygningskonstruksjoner i et slikt omfang at ASML snart må finne nye tomter for å kunne utvide ytterligere.

Trengselen på ASMLs område i Veldhoven er et godt bilde på de teknologiske utfordringene forskere og ingeniører inne i bygningene prøver å løse – bare på mikroskala: å finne plass til stadig mer på stadig mindre plass.

Det som må få plass, er milliarder av transistorer, og den begrensede plassen er de fingernegl-store mikrochipsene hvor de integrerte kretsløpene og transistorene er trykt. ASML forsøker å holde den såkalte Moores lov i live.

Fra PC-æra til KI-æra

Denne innsatsen er avgjørende for at du og jeg i dag kan eie noen av verdens mest avanserte mikrochips. Utviklingen har gjort at slike chips har funnet veien inn i smarttelefoner, nettbrett og bærbare pc-er til priser forbrukerne er villige til å betale.

Nå blir de mest avanserte mikrochipsene utviklet både for den grønne omstillingen og den eksplosive veksten innen kunstig intelligens. Halvlederindustrien distribuerer også chips til alt fra helsevesenet og landbruksteknologi til skyinfrastruktur og smarte elbiler.

ASML har med andre ord vært med på mikrochippens reise fra PC-æraen, gjennom smarttelefonenes æra, og til dagens KI-æra. Hele tiden med stadig større krav til ytelsen – og det bringer oss tilbake til Moores lov.

En ny tolkning av loven

Moores lov, som ikke er en fysisk lov, men en forutsigelse gjort av Intel-grunnlegger Gordon Moore, sier at antallet transistorer i et integrert kretsløp vil dobles annethvert år siden 1975.

Spådommen har så langt holdt seg og har betydd at mikrochips omtrent har blitt dobbelt så kraftige annethvert år, de siste 50 årene, – til samme pris.

Den første direkte tolkningen av loven er at kretsløpene må bli stadig mindre og tettere, forklarer Sjoerd Verduyn Lunel, leder av ASMLs forskningsavdeling for skanning ved selskapets hovedkvarter i Nederland.

Akkurat dette har vært ASMLs spesialitet. Siden etableringen i 1984 har selskapet spesialisert seg på utvikling og produksjon av maskiner til såkalt fotolitografi, brukt i det avgjørende prosessleddet i chipproduksjon der kretsløpene trykkes.

I dag har så å si alle nordmenn elektronikk i lommen eller hånden som inneholder chips produsert på en ASML-maskin.

Selskapet leverer maskiner til noen av verdens største halvlederprodusenter, som amerikanske Intel og taiwanske TSMC. Med ASMLs siste generasjon av fotolitografimaskiner, basert på ekstremt ultrafiolett lys (EUV), har trykkingen på mikrochips nådd en skala på omtrent et dusin nanometer. Men den fysiske grensen for krymping nærmer seg – dersom kvantemekaniske effekter ikke skal begynne å skape problemer.

Derfor er det behov for en ny tolkning av Moores lov, dersom den skal holdes i live. Ifølge Sjoerd Verduyn Lunel finnes det flere slike tolkninger, som alle er relevante for ham og hans kolleger.

Når det ikke lenger er mulig å gjøre kretsløpene fysisk mindre, må regnekraften økes uten at energiforbruket stiger.

– På et tidspunkt vil vi nå en grense for hvor mye vi kan skalere ved hjelp av «real estate», altså hvor mange transistorer vi kan få plass til på en overflate (dimensjonal skalering). Men vi kan fremdeles øke regnekraften ved for eksempel å optimalisere energiforbruket (arkitektonisk skalering), sier han da Ingeniøren besøker ASML i Veldhoven.

– På den måten finnes det ulike typer skaleringslover.

Utfordrende stort energiforbruk

Energiforbruket er en stor utfordring innen mikrochipproduksjon. Ser man ut over ASMLs hovedkvarter, er det tydelig: Et omfattende nettverk av varmerør og pumper må håndtere overskuddsvarme fra fabrikken, i mengder som langt overstiger hovedkvarterets behov.

Og ikke bare er produksjonen av fotolitografimaskinene så energikrevende at Ingeniøren ikke har fått opplyst hvor mye energi produksjonshallene i Veldhoven faktisk bruker. Når maskinene er i drift, har de også et enormt energiforbruk og er, med Sjoerd Verduyn Lunels egne ord, «ikke særlig energieffektive».

Det ekstremt ultrafiolette lyset med en bølgelengde på 13,5 nanometer, som sikrer EUV-litografiens høye oppløsning, dannes ved å skyte en liten dråpe flytende tinn med to laserpulser. Dråpen omdannes til plasma, som avgir lys. På denne måten fungerer en serie med tindråper som en energikilde med en effekt på rundt 500 watt.

Lyset blir dirigert gjennom noen av verdens mest presise speil før det til slutt treffer en silisium-wafer. Men ikke alt det høyenergiske lyset når fra tinn-plasmaet til selve trykkeprosessen.

– Det er et mirakel at vi kan produsere EUV, men det går fortsatt mye lys tapt i prosessen, sier Sjoerd Verduyn Lunel om teknologien, som ble utviklet etter mer enn 20 års forskning av Verduyn Lunels kolleger hos ASML, før den første telefonbrikken produsert med EUV ble tilgjengelig rundt 2017.

– En stor del av vårt forskningsarbeid går med til å gjøre EUV-maskinene mer energieffektive, fortsetter han, men uten å ville oppgi tall for energi-input og -output i prosessen.

Mindre chips, bedre batteri

Energiforbruket per chip kan reduseres jo flere chips som produseres per time. Men dette krever samtidig økt intensitet i EUV-lyskilden – noe som igjen øker energiforbruket.

Likevel argumenterer forskningssjefen for at EUV-maskinene på sikt bidrar til energibesparelser, når en ser det i et større regnskap.

– Tidligere trodde jeg at formålet med å gjøre mikrochips mindre, kun var at de skulle passe bedre i enheter som telefoner, sier han.

Men nyere generasjoner av smarttelefoner og bærbare pc-er har betydelig bedre batterilevetid, mye takket være chips produsert med ASMLs nyeste litografiteknologi.

– Det skyldes ikke bare at batteriene har blitt forbedret over tid. Den største forbedringen ligger i skala. Når du gjør mikrochips mindre, blir alt mindre, enheten produserer derfor mindre varme og bruker dermed mindre energi, sier Verduyn Lunel.

15 år til med Moore

På denne måten kan flere ulike tolkninger av Moores lov imøtekommes ved hjelp av de samme justeringene og tilpasningene av ASMLs maskiner, som både øker oppløsningen på trykket og reduserer energiforbruket.

Dette innebærer ytterligere forskning på blant annet plasmaet i EUV-kilden, hvor man kan dra nytte av lærdom fra fusjonskraft. Det kreves også forskning innen materialkjemi for å forbedre speil og apparater, slik at energitapet på veien fra tinn-dråpe til trykk reduseres. Ja, til og med kunstig intelligens kan spille en rolle i å løse optimaliseringsutfordringene.

Hvordan dette arbeidet foregår i praksis, er imidlertid vanskelig for en dansk journalist å få innsyn i. Aktivitetene i ASMLs laboratorier og renrom er ikke tilgjengelige for besøkende, og det nærmeste Ingeniørens utsendte kommer en EUV-litografimaskin, er en 3D-modell som projiseres på en vegg i hovedkvarterets besøksenter og må sees med VR-briller.

I tillegg til VR-briller, wafer-modeller og animasjoner av chipproduksjonens mange prosessledd, inneholder besøksenteret også en graf som viser utviklingen av ASMLs litografiskannere – fra den første PAS 2000, som trykket med synlig lys, til dagens EUV-skannere med en bølgelengde på 13,5 nanometer. Og videre.

Spør man Sjoerd Verduyn Lunel, mener han og hans kolleger at det er mulig å fortsette å optimalisere litografiskanneren i mange år fremover.

– Vi har ideer som strekker seg 15 år frem i tid, sier han.

Med andre ord minst 15 år til med å holde Moores lov i live.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.