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Dos trabajadores de ASML pasan por delante de la máquina UVE de alta apertura numérica en Veldhoven

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Computación

ASML, la empresa que revolucionó la fabricación de chips y quiere seguir haciéndolo

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‘MIT Technology Review’ se reunió con el CTO saliente, Martin van den Brink, para hablar del ascenso de la empresa a la hegemonía y de la vida y muerte de la Ley de Moore  

  • por Mat Honan | traducido por
  • 04 Abril, 2024

En una monótona mañana de lunes en San José (California), en el monótono Centro de Convenciones de San José, los asistentes a la Conferencia de Litografía y Creación de Patrones Avanzados de la SPIE se agolparon en el salón de baile principal hasta que todos los asientos estuvieron ocupados y la multitud empezó a alinearse en las paredes del fondo y los laterales de la sala. La convención reúne a personas de todo el mundo que trabajan en la industria del chip. Y en esta fría mañana de febrero, se habían reunido para escuchar a luminarias de la industria tecnológica ensalzar la figura del difunto Gordon Moore, cofundador y primer CEO de Intel.

Craig Barrett, también ex-CEO de Intel, rindió homenaje, al igual que el legendario ingeniero Burn-Jeng Lin, pionero de la litografía por inmersión, una tecnología de creación de patrones que permitió a la industria de los chips seguir avanzando hace unos 20 años. La mayoría de los discursos se centraron en reflexiones sobre el propio Moore: testimonios de su genio, sus logros y su humanidad. Pero el último orador de la mañana, Martin van den Brink, adoptó un tono diferente, más parecido a una vuelta triunfal que a un elogio. Van den Brink es el copresidente saliente y CTO de ASML, la empresa holandesa que fabrica las máquinas que a su vez permiten a los fabricantes producir los chips informáticos más avanzados del mundo.

Según la Ley de Moore, el número de transistores de un circuito integrado se duplica cada dos años aproximadamente. En esencia, significa que los fabricantes de chips siempre están intentando reducir el número de transistores de un microchip para poder meter más. La cadencia ha sido cada vez más difícil de mantener ahora que las dimensiones de los transistores se miden en unos pocos nanómetros. En los últimos años, las máquinas de ASML han evitado que la Ley de Moore se desvaneciera. En la actualidad, son las únicas del mundo capaces de producir circuitos con la densidad necesaria para mantener la cadencia de los fabricantes de chips. Según van den Brink, es la propia premisa de la Ley de Moore la que impulsa a la industria año tras año.

Para demostrar lo importante que ha sido mantener la Ley de Moore desde que se incorporó a ASML en 1984, van den Brink se refirió al problema del arroz y el tablero de ajedrez, en el que el número de granos de arroz —un sustituto de los transistores— se duplica en cada casilla sucesiva. El crecimiento exponencial del número de transistores que se pueden meter en un chip desde 1959 significa que un solo grano de arroz de entonces se ha convertido ahora en el equivalente de tres petroleros, cada uno de 240 metros de largo, llenos de arroz. ¡Es mucho arroz! Sin embargo, la Ley de Moore obliga a la empresa (y a toda la industria tecnológica) a seguir avanzando. Cada era de la informática, y más recientemente la IA, ha traído consigo mayores exigencias, explica van den Brink. En otras palabras, aunque tres camiones cisterna llenos de arroz puedan parecer mucho, mañana necesitaremos seis. Luego 12. Luego 24. Y así sucesivamente.

Aseguró que la tecnología de ASML estaría ahí para satisfacer las demandas, gracias a la inversión de la empresa en la creación de herramientas capaces de fabricar características cada vez más finas: las máquinas de litografía ultravioleta extrema (UVE) que desplegó ampliamente en 2017, las máquinas UVE de alta apertura numérica (AN) —high-NA, en inglés— que está desplegando ahora y las máquinas UVE hiper-AN (o hyper-NA) que ha esbozado para el futuro.

Puede que el homenaje estuviera pensado para Gordon Moore, pero al final de la presentación de van den Brink toda la sala se puso en pie para ovacionarle. Porque si Gordon Moore merece crédito por crear la ley que impulsó el progreso de la industria, como dice Van den Brink, Van den Brink y ASML merecen gran parte del crédito por garantizar que ese progreso siga siendo posible.

Sin embargo, eso también significa que hay presión. ASML tiene que intentar ir por delante de las exigencias de la Ley de Moore. Tiene que seguir asegurándose de que los fabricantes de chips puedan seguir duplicando la cantidad de arroz en el tablero de ajedrez. ¿Será posible? Van den Brink se sentó con MIT Technology Review para hablar de la historia de ASML, su legado y lo que está por venir.

Apostar fuerte por una longitud de onda difícil de manejar

ASML es un líder tan indiscutible en el ecosistema de chips actual que cuesta creer que el dominio del mercado de la empresa se remonte realmente a 2017, cuando su máquina UVE, tras 17 años de desarrollo, puso patas arriba el proceso convencional de fabricación de chips.

Desde la década de 1960, la fotolitografía ha hecho posible empaquetar chips informáticos cada vez más componentes. El proceso consiste en crear pequeños circuitos guiando haces de luz a través de una serie de espejos y lentes, y luego haciendo brillar esa luz sobre una máscara, que contiene un patrón. La luz transporta el diseño del chip, capa a capa, hasta construir circuitos que forman los bloques de construcción computacional de todo, desde los smartphones hasta la inteligencia artificial.

Martin Van Den Brink

Los fotolitógrafos disponen de un conjunto limitado de herramientas para realizar diseños más pequeños y, durante décadas, el tipo de luz utilizado en la máquina fue lo más crítico. En los años 60, las máquinas utilizaban haces de luz visible. Los rasgos más pequeños que esta luz podía dibujar en el chip eran bastante grandes, un poco como utilizar un rotulador para dibujar un retrato.

Después, los fabricantes empezaron a utilizar longitudes de onda de luz cada vez más pequeñas y, a principios de los 80, ya podían fabricar chips con luz ultravioleta. Nikon y Canon eran los líderes del sector. ASML, fundada en 1984 como filial de Philips en Eindhoven (Países Bajos), no era más que una pequeña empresa.

Según cuenta Van den Brink, llegó a la empresa casi por accidente. Philips era una de las pocas empresas tecnológicas de Holanda. Cuando empezó a trabajar allí en 1984 e investigaba las distintas oportunidades que ofrecía la empresa, le intrigó una foto de una máquina litográfica.

"Miré la foto y me dije: 'Tiene mecánica, tiene óptica, tiene software... parece una máquina compleja. Me interesa", explica van den Brink a MIT Technology Review. "Me dijeron: bueno, puedes hacerlo, pero la empresa no formará parte de Philips. Vamos a crear una empresa conjunta con ASM International, y después de la empresa conjunta, usted no formará parte de Philips. Dije que sí porque no podía importarme menos. Y así empezó todo".

Cuando van den Brink se incorporó en la década de 1980, había pocas cosas en ASML que hicieran que la empresa destacara por encima de otras grandes empresas de litografía de la época. "No vendimos una cantidad sustancial de sistemas hasta los años 90. Y casi quebramos varias veces en ese periodo", afirma van den Brink. "Así que para nosotros sólo había una misión: sobrevivir y demostrar al cliente que podíamos marcar la diferencia".

En 1995, se había afianzado lo suficiente en el sector frente a sus competidores Nikon y Canon como para salir a bolsa. Pero todos los fabricantes de litografía libraban la misma batalla para crear componentes más pequeños en los chips.

Si hubiera podido escuchar una reunión en ASML a finales de los 90 sobre esta situación, habría oído hablar de una idea llamada litografía ultravioleta extrema (UVE), junto con la preocupación de que nunca funcionara. En aquel momento, con la presión para condensar los chips más allá de las capacidades actuales, parecía que todo el mundo perseguía la UVE. La idea era crear chips con una longitud de onda de luz aún más pequeña (en última instancia, sólo 13,5 nanómetros). Para ello, ASML tendría que averiguar cómo crear, capturar y enfocar esta luz —procesos que habían dejado perplejos a los investigadores durante décadas— y construir una cadena de suministro de materiales especializados, incluidos los espejos más lisos jamás fabricados. Y asegurarse de que el precio no ahuyentara a sus clientes.

Canon y Nikon también estaban trabajando en UVE, pero el gobierno estadounidense les denegó la licencia para participar en el consorcio de empresas y laboratorios nacionales que lo estaban investigando. Ambas abandonaron el proyecto. Entretanto, ASML adquirió en 2001 SVG, la cuarta mayor empresa dedicada a la UVE. En 2006 solo había enviado dos prototipos de máquinas UVE a centros de investigación, y tardó hasta 2010 en enviar una a un cliente. Cinco años más tarde, ASML advirtió en su informe anual que las ventas de UVE seguían siendo bajas, que los clientes no estaban ansiosos por adoptar la tecnología dada su lentitud en la línea de producción, y que, si el patrón continuaba, podría tener efectos "materiales" en el negocio dada la importante inversión.

Sin embargo, en 2017, tras una inversión de 6.500 millones de dólares (unos 5.982 millones de euros) en I+D durante 17 años, la apuesta de ASML empezó a dar sus frutos. Ese año, la compañía envió 10 de sus máquinas UVE, que cuestan más de 100 millones de dólares (unos 92 millones de euros) cada una, y anunció que docenas más estaban en pedidos pendientes. Las máquinas UVE fueron a parar a los titanes de la fabricación de semiconductores —Intel, Samsung y Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC)— y a un reducido número de empresas. Con una fuente de luz más brillante (lo que significa menos tiempo necesario para impartir patrones), entre otras mejoras, las máquinas eran capaces de velocidades de producción más rápidas. El salto a la UVEV tuvo por fin sentido desde el punto de vista económico para los fabricantes de chips, lo que situó a ASML básicamente en una posición de monopolio.

Chris Miller, profesor de Historia de la Universidad de Tufts y autor de Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology, afirma que ASML estaba culturalmente preparada para llevar a cabo esos experimentos. "Es una obstinada voluntad de invertir en tecnología que la mayoría de la gente pensaba que no funcionaría", declaró a MIT Technology Review. "Nadie más apostaba por la UVE, porque el proceso de desarrollo era muy largo y caro. Implica estirar los límites de la física, la ingeniería y la química".

Un factor clave del crecimiento de ASML fue su control de la cadena de suministro. ASML adquirió varias de las empresas de las que depende, como Cymer, fabricante de fuentes de luz. Esta estrategia de control del poder en la cadena de suministro se extendió también a los clientes de ASML. En 2012, ofreció acciones a sus tres mayores clientes, que fueron capaces de mantener su propio dominio del mercado en parte debido al poder de fabricación de élite de las máquinas de ASML.

"Nuestro éxito depende de su éxito", declaró Van den Brink a MIT Technology Review.

También es un testimonio del dominio de ASML el hecho de que, en su mayor parte, ya no se le permita vender sus sistemas más avanzados a clientes de China. Aunque ASML todavía hace negocios en China, en 2019, siguiendo la presión de la administración Trump, el gobierno holandés comenzó a imponer restricciones a las exportaciones de máquinas UVE de ASML a China. Esas reglas se endurecieron aún más apenas el año pasado y ahora también imponen límites a algunas de las máquinas de ultravioleta profundo (DUV, por sus siglas en inglés), de la compañía, que se utilizan para fabricar chips menos altamente avanzados que los sistemas UVE.

Van den Brink afirma que la forma en que los líderes mundiales debaten ahora sobre litografía era inimaginable cuando la empresa comenzó su andadura: "Nuestro primer ministro estaba sentado frente a Xi Jinping, no porque fuera holandés, a quién iba a importarle Holanda. Estaba allí porque estamos haciendo UVE".

Pocos años después de la salida de las primeras máquinas UVE, ASML se enfrentaría a su segunda crisis. Alrededor del inicio de la pandemia, el interés y los avances en el campo de la inteligencia artificial dispararon la demanda de potencia computacional. Empresas como OpenAI necesitaban chips informáticos cada vez más potentes y, a finales de 2022, el frenesí y la inversión en IA empezaron a desbordarse.

Para entonces, ASML se acercaba a su última innovación. Tras haber adoptado una longitud de onda de luz más pequeña (y realineado toda la industria de semiconductores a ella en el proceso), ahora dirigía su atención a la otra palanca de su control: la apertura numérica. Es la medida de la cantidad de luz que puede enfocar un sistema, y si ASML podía aumentarla, las máquinas de la empresa podrían imprimir componentes aún más pequeños.

Hacerlo significaba una miríada de cambios. ASML tuvo que encargar a su proveedor Carl Zeiss un conjunto aún mayor de espejos, que debían ser ultralisos. Zeiss tuvo que construir máquinas completamente nuevas, cuyo único propósito era medir la lisura de los espejos destinados a ASML. El objetivo era reducir el número de costosas repercusiones que el cambio tendría en el resto de la cadena de suministro, como las empresas que fabrican las retículas que contienen los diseños de los chips.

En diciembre de 2023, ASML empezó a enviar el primero de sus dispositivos UVE de nueva generación, una máquina alta apertura numérica (AN), a las instalaciones de Intel en Hillsboro (Oregón). Se trata de una versión de I+D y, de momento, es la única que está sobre el terreno. Se necesitaron siete aviones y 50 camiones para llevarla a la planta de Intel, y la instalación de la máquina, que es más grande que un autobús de dos pisos, llevará seis meses.

Las máquinas de alta AN solo serán necesarias para producir las capas más precisas de los chips avanzados para la industria; los diseños de muchos otros se seguirán imprimiendo con la generación anterior de máquinas UVE o con máquinas DUV más antiguas.

ASML ha recibido pedidos de máquinas de alta AN de todos sus clientes actuales de UVE. No son baratas: los informes cifran el coste en 380 millones de dólares (unos 350 millones de euros). Intel fue el primer cliente en atacar, encargando la primera máquina disponible a principios de 2022. La compañía, que ha perdido una cuota de mercado significativa frente a su competidor TSMC, apuesta a que la nueva tecnología le dará un nuevo punto de apoyo en la industria, aunque otros fabricantes de chips eventualmente también tendrán acceso a ella.

"Hay beneficios obvios para Intel por ser la primera", dice Miller. "También hay riesgos evidentes". Saber para qué chips utilizar estas máquinas y cómo rentabilizarlas será un reto para la empresa, según Miller.

El lanzamiento de estas máquinas, si tiene éxito, podría considerarse la coronación de la carrera de ASML revolucionaron la fabricación de chips Van den Brink. Pero él ya está pensando en lo que vendrá después.

El futuro

La próxima gran idea de ASML, según van den Brink y otros ejecutivos de la empresa que hablaron con MIT Technology Review, es la tecnología de hiper-AN. Las máquinas de alta AN de la empresa tienen una apertura numérica de 0,55. Las herramientas hiper-AN tendrían una apertura numérica superior a 0,7. En última instancia, esto significa que la hiper-AN, si tiene éxito, permitirá a la empresa crear máquinas que permitan a los fabricantes reducir aún más las dimensiones de los transistores, siempre que los investigadores puedan idear componentes de chip que funcionen bien en dimensiones tan pequeñas. Al igual que ocurrió con la UVE a principios de la década de los 2000, aún no se sabe con certeza si la hiper-AN es viable. Sin embargo, Van den Brink se muestra prudentemente confiado. En su opinión, es probable que la empresa disponga finalmente de tres ofertas: baja resolución, alta resolución y, si todo va bien, hiper resolución.

"Hiper-AN es un poco más arriesgado", dice Van den Brink. "En el futuro seremos más prudentes y más sensibles a los costes. Pero si lo conseguimos, tendremos un trío ganador que se encargará de toda la fabricación avanzada en un futuro previsible".

Sin embargo, aunque hoy todo el mundo apuesta por ASML para seguir impulsando la industria, se especula con la posibilidad de que surja un competidor de China. Van den Brink descartó esta posibilidad, citando la brecha existente incluso en la litografía de última generación.

"Las PYME fabrican máquinas DUV, o al menos afirman que pueden hacerlo", declaró a MIT Technology Review, refiriéndose a una empresa que fabrica la tecnología predecesora de la litografía UVE, y señaló que ASML sigue teniendo la cuota de mercado dominante. Las presiones políticas podrían significar más avances para China. Pero llegar al nivel de complejidad que supone el conjunto de máquinas de ASML, con baja, alta e hiper-AN, es otra cuestión, afirma: "Me siento bastante seguro de que pasará mucho tiempo antes de que puedan copiarlo".

Miller, de la Universidad de Tufts, confía en que las empresas chinas acabarán desarrollando este tipo de tecnologías por su cuenta, pero está de acuerdo en que la cuestión es cuándo. "Si es dentro de una década, será demasiado tarde", afirma.

La verdadera cuestión no es quién fabricará las máquinas, sino si la Ley de Moore se mantendrá. El CEO de Nvidia, Jensen Huang, ya la ha dado por muerta. Pero cuando se le preguntó qué creía que podría hacer que la Ley de Moore se detuviera finalmente, Van den Brink rechazó la premisa por completo.

"No hay razón para creer que esto vaya a detenerse. No le voy a decir dónde acabará", afirma. "Terminará cuando se nos acaben las ideas y el valor que generemos con todo esto no compense el coste que supondrá. Entonces se acabará. Y no por falta de ideas".

Había adoptado una postura similar durante su homenaje a Moore en la conferencia de la SPIE, destilando confianza. "No estoy seguro de quién hará la presentación dentro de 10 años", dijo, volviendo a su analogía del arroz. "Pero mis sucesores", afirmó, "aún tendrán la oportunidad de llenar el tablero".

Este artículo se ha actualizado para aclarar información sobre las operaciones de ASML en China.

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