Cuộc đua xây dựng cỗ máy phức tạp nhất thế giới: Lật đổ ASML sẽ không dễ dàng

https://www.economist.com/science-and-technology/2025/03/12/the-race-is-on-to-build-the-worlds-most-complex-machine

Cuộc đua xây dựng cỗ máy phức tạp nhất thế giới
Lật đổ ASML sẽ không dễ dàng
Hai người mặc đồ bảo hộ trắng trong phòng sạch tại trụ sở của ASML ở Veldhoven, Hà Lan.
Ảnh: ASML
12 tháng 3 năm 2025

Ít ai có thể ngờ rằng tương lai của trí tuệ nhân tạo (AI) lại phụ thuộc vào Eindhoven, một thị trấn yên tĩnh của Hà Lan. Nhưng ngay bên ngoài ranh giới của thị trấn này là trụ sở của ASML, công ty duy nhất sản xuất các cỗ máy được gọi là công cụ quang khắc – những cỗ máy cần thiết để sản xuất các chip AI tiên tiến nhất. Sản phẩm mới nhất của ASML là một cỗ máy khổng lồ nặng 150 tấn, có kích thước bằng 2 container vận chuyển và có giá khoảng 350 triệu USD. Đây cũng là cỗ máy tiên tiến nhất đang được rao bán trên thị trường.

Năng lực của ASML đã đưa công ty trở thành trung tâm của cuộc chiến công nghệ toàn cầu. Để ngăn Trung Quốc sản xuất chip AI tiên tiến, Mỹ đã cấm ASML bán các thiết bị hiện đại nhất cho các nhà sản xuất chip Trung Quốc. Đáp lại, Trung Quốc đang rót hàng tỷ USD để xây dựng các giải pháp thay thế trong nước. Trong khi đó, Canon, một đối thủ đến từ Nhật Bản, đang đặt cược vào một công nghệ đơn giản và rẻ hơn để làm suy yếu vị thế thống trị của ASML. Tuy nhiên, khác với phần mềm, nơi vị thế lãnh đạo của ngành có thể thay đổi trong vài tháng, thành công trong lĩnh vực quang khắc là một cuộc đua chậm rãi được đo bằng hàng thập kỷ. Đánh bại ASML sẽ không hề dễ dàng. Cuộc đua này là để giành quyền kiểm soát cỗ máy sẽ định hình tương lai của máy tính, AI và công nghệ nói chung.

Cỗ máy tối tân của ASML

Cỗ máy tiên tiến nhất của ASML vô cùng phức tạp. Nó hoạt động bằng cách bắn 50.000 giọt thiếc nóng chảy vào một buồng chân không. Mỗi giọt nhận 2 cú đánh – đầu tiên từ một xung laser yếu làm dẹt giọt thiếc thành một chiếc "bánh kếp" nhỏ, sau đó là một xung laser mạnh làm bốc hơi nó. Quá trình này biến mỗi giọt thành plasma nóng, đạt nhiệt độ gần 220.000°C – nóng hơn bề mặt Mặt Trời khoảng 40 lần – và phát ra ánh sáng có bước sóng cực ngắn (cực tím cực sâu – EUV).

Ánh sáng này sau đó được phản xạ bởi một loạt các gương có độ nhẵn mịn tới mức sai lệch chỉ được đo bằng đơn vị phần nghìn tỷ mét. Các gương tập trung ánh sáng vào một mặt nạ hoặc khuôn chứa bản thiết kế của các mạch chip. Cuối cùng, tia sáng bật từ mặt nạ xuống một tấm silicon phủ hóa chất nhạy sáng, khắc thiết kế lên con chip.

Trò chơi công nghệ đỉnh cao

Các công cụ của ASML là thiết bị không thể thiếu để sản xuất chip hiện đại. Các công ty như TSMC, Samsung và Intel đều phụ thuộc vào chúng để sản xuất các bộ vi xử lý tiên tiến, từ bộ tăng tốc AI đến chip cho điện thoại thông minh. Không có công ty nào khác có thể sản xuất máy móc đủ khả năng in các chip có kích thước 7 nanomet (tỷ mét) hoặc nhỏ hơn (dù thuật ngữ này giờ đây chủ yếu được dùng cho mục đích tiếp thị hơn là để chỉ kích thước vật lý thực sự). Ngay cả với các công nghệ cũ hơn (14nm trở lên), các thiết bị của ASML vẫn chiếm hơn 90% thị phần.

Vi xử lý là một loại "lasagne điện tử" – một lớp bóng bán dẫn được phủ lên bằng các lớp dây đồng để truyền tải dữ liệu và năng lượng. Một bộ vi xử lý tiên tiến có thể chứa hơn 100 tỷ bóng bán dẫn, có hơn 70 lớp và hơn 100 km dây dẫn – tất cả đều nằm trên một miếng silicon có kích thước chỉ lớn hơn 1,5 lần con tem bưu chính.

Để chế tạo các tính năng nhỏ bé này, một cỗ máy quang khắc làm việc theo từng giai đoạn, khắc các mẫu bóng bán dẫn và dây dẫn kim loại lên tấm wafer, lớp này chồng lên lớp kia. Một tấm wafer đơn có thể chứa hàng trăm con chip.

Bí quyết thu nhỏ chip

Nguyên lý cơ bản của máy quang khắc của ASML giống như một chiếc máy chiếu phim cũ: ánh sáng đi qua một tấm khuôn để chiếu hình ảnh lên bề mặt. Kích thước nhỏ nhất mà một cỗ máy quang khắc có thể in phụ thuộc vào 2 yếu tố chính:

1. Bước sóng của ánh sáng – Bước sóng càng ngắn thì có thể tạo ra các chi tiết nhỏ hơn. Hệ thống cũ của ASML sử dụng ánh sáng cực tím sâu (DUV), có bước sóng từ 248nm đến 193nm, cho phép in các chi tiết nhỏ tới 38nm.

2. Khẩu độ số (NA) của gương – Khẩu độ số đo lượng ánh sáng mà gương có thể thu và tập trung. Các hệ thống mới nhất của ASML, gọi là EUV khẩu độ cao (high-NA EUV), sử dụng gương có khẩu độ 0,55, cho phép in các chi tiết nhỏ tới 8nm.

ASML đang nghiên cứu một công nghệ có tên hyper-NA, nâng khẩu độ lên hơn 0,75 mà vẫn sử dụng ánh sáng EUV hiện tại. Tuy nhiên, khẩu độ lớn hơn đòi hỏi các gương lớn hơn và nặng hơn, làm tăng chi phí và mức tiêu thụ điện năng.

Trung Quốc và Canon thách thức ASML

Trung Quốc, bị chặn tiếp cận các công cụ sản xuất chip tiên tiến nhất, đang cố gắng tận dụng tối đa các máy móc ASML cũ hơn (28nm trở lên). Một giải pháp là in nhiều lớp (multi-patterning), chia một mẫu thành nhiều lần khắc, cho phép in các chi tiết nhỏ hơn gấp 2 hoặc 4 lần.

Trong khi đó, Canon đang thử nghiệm một công nghệ mới có tên in nano (NIL) – giống như máy in. Canon cho rằng công nghệ này có thể tiết kiệm tới 40% chi phí so với hệ thống EUV của ASML. Tuy nhiên, NIL vẫn gặp phải các vấn đề về khuyết tật, căn chỉnh và tốc độ sản xuất.

Cuộc chiến thống trị ngành sản xuất chip

Công nghệ của Canon có thể sẽ tồn tại song song với EUV, đảm nhiệm các công đoạn đơn giản hơn và rẻ hơn. Tuy nhiên, ASML vẫn là người dẫn đầu trong ngành. Nếu ASML không cẩn thận, cỗ máy quan trọng nhất thế giới có thể sẽ mất đi vị thế thống trị trong tương lai. ■

The race is on to build the world’s most complex machine
But toppling ASML will not be easy
Two people dressed in white overall suits in the Cleanroom at ASML Headquarters in Veldhoven, Netherlands.
Photograph: ASML
Mar 12th 2025

Few would expect the future of artificial intelligence (AI) to depend on Eindhoven, a quiet Dutch town. Yet just beyond its borders sits the headquarters of ASML, the only company that makes the machines, known as lithography tools, needed to produce cutting-edge AI chips. ASML’s latest creation is a 150-tonne colossus, around the size of two shipping containers and priced at around $350m. It is also the most advanced machine for sale.
The firm’s expertise has placed it at the centre of a global technology battle. To prevent China from building whizzy AI chips, America has barred ASML from selling its most advanced gear to Chinese chipmakers. In response, China is pouring billions of dollars into building homegrown alternatives. Meanwhile, Canon, a Japanese rival, is betting on a simpler, cheaper technology to loosen ASML’s grip. Yet unlike software, where industry leadership can shift in months, success in lithography is a slow-moving race measured in decades. Overtaking ASML won’t be easy. At stake is control of the machine that will shape the future of computing, AI and technology itself.
ASML’s most advanced machine is mind-boggling. It works by firing 50,000 droplets of molten tin into a vacuum chamber. Each droplet takes a double hit—first from a weak laser pulse that flattens it into a tiny pancake, then from a powerful laser that vaporises it. The process turns each droplet into hot plasma, reaching nearly 220,000°C, roughly 40 times hotter than the surface of the Sun, and emits light of extremely short wavelength (extreme ultraviolet, or EUV). This light is then reflected by a series of mirrors so smooth that imperfections are measured in trillionths of a metre. The mirrors focus the light onto a mask or template that contains blueprints of the chip’s circuits. Finally the rays bounce from the mask onto a silicon wafer coated with light-sensitive chemicals, imprinting the design onto the chip.
High stakes
ASML’s tools are indispensable to modern chipmaking. Firms like TSMC, Samsung and Intel rely on them to produce cutting-edge processors, from AI accelerators to smartphone chips. No other company makes machines that can reliably print chips that are called “7 nanometres” (billionths of a metre) and below (though these terms once related to physical resolution, they are now primarily used for marketing). Even for more mature technologies (“14nm” and higher), the firm’s tools account for over 90% of the market.
A microchip is an electronic lasagne: a base of transistors topped with layers of copper wiring shuttling data and power. A leading-edge processor can pack over 100bn transistors, contain more than 70 layers and have more than 100 kilometres of wiring, all on a piece of silicon around one-and-half times the size of a standard postage stamp. To build these tiny features, a lithography machine works in stages by etching patterns of transistors and metal wires on a wafer, layer by layer. A single wafer can contain hundreds of chips.
ASML’s tool is complex, yet its basic principle is much like that of an old slide projector: light passes through a stencil to project an image onto a surface. The smallest feature an optical lithography tool can print depends mainly on two factors. The first is the wavelength of light. Just as a finer paintbrush allows for more detailed strokes, shorter wavelengths enable smaller patterns. ASML’s older systems used deep ultraviolet (DUV) light, with wavelengths between 248nm and 193nm, producing features as small as 38nm.
To shrink chip features even more, ASML turned to EUV light, with a wavelength of 13.5nm. Whereas EUV is naturally emitted in space by the solar corona, producing it on Earth is far trickier. EUV light is also completely absorbed by air, glass and most materials, so the process must be enclosed in a vacuum, using special mirrors to reflect and guide the light. ASML spent two decades perfecting the method that fires lasers at molten-tin droplets to create and generate this elusive beam.
The other dial that sets the smallest feature size is the numerical aperture (NA) of the mirrors, a measure of how much light they can collect and focus. ASML’s latest systems, called high-NA EUV, use mirrors with an aperture of 0.55, allowing it to print features on chips as small as 8nm. To go smaller still, the firm is studying what it calls hyper-NA by cranking the aperture up to more than 0.75 while still using existing EUV light. A higher NA means that the mirrors collect and focus light coming in from a broader range of angles, improving precision. This comes at a cost. Larger NAs require bigger mirrors to intercept and direct the expanded light paths. When ASML increased the NA of their machines from 0.33 to 0.55, the mirrors doubled in size and became ten times heavier, now weighing several hundred kilograms. Increasing the NA again will only add bulk, raising concerns about power consumption.
Another obstacle is pricing. ASML does not disclose precise figures, but its latest EUV machine was almost twice as expensive as its predecessor. A hyper-NA system would be dearer still.  Though the company cautions that there are no guarantees of it ever being produced, Jos Benschop, ASML’s head of technology, believes a hyper-NA machine could arrive within the next five to ten years, pending demand. 
Some researchers are already planning to go beyond EUV light, aiming for wavelengths of around 6nm. This would require breakthroughs in light sources, optics and photoresist (the light-sensitive coating on wafers). Shorter wavelengths also bring new challenges, including “shot noise”, or random particle movements that blur patterns. But Yasin Ekinci of the Paul Scherrer Institute, a Swiss research centre, sees this as a “plan B” if hyper-NA fails to deliver.
While ASML pushes the boundaries of optical lithography, China—cut off from the most advanced chipmaking tools—is trying to extract more from the older ASML machines (capable of 28nm and above) it can still import. One approach is multi-patterning, in which a pattern is broken into multiple etching stages, allowing a machine to print details twice or four times as small. Multi-patterning is effective, but adds complexity and slows production.
China is also trying to build its own lithography tools. SMEE, a state-owned firm, is reportedly making progress on a machine capable of producing 28nm chips using DUV light. But developing an EUV system is an entirely different challenge. Jeff Koch of SemiAnalysis, a research firm, points out that beyond mastering EUV light itself, China would need to replicate ASML’s vast supply chain, stretching to more than 5,000 specialised suppliers.
ASML’s dominance in high-end lithography, therefore, seems unshakable. But Canon, once an industry leader, is betting on an alternative. Nanoimprint lithography (NIL) stamps circuit patterns directly onto wafers, much like a printing press. In theory, NIL could create features with nanometre accuracy, offering a low-cost, compact rival to ASML’s EUV machines.
The NIL process begins with the creation of a master mask which has the template of the circuit etched onto it by an electron beam. Next, droplets of a liquid resin are applied to the wafer before a mask presses the circuit pattern onto the wafer. Ultraviolet light is then used to solidify the resin and form the circuit patterns, after which the mask is removed. This step is repeated for every layer of the chip. Canon estimates that its approach costs around 40% less than a comparable machine from ASML.
For NIL to become a mainstream chipmaking technology, it must overcome several challenges. Defects are a big concern—tiny particles or imperfections on the mould can create repeating flaws across entire wafers. Alignment is another hurdle. Since chips are built in layers, the circuit patterns of every layer must line up precisely. Any variation in wafer flatness or slight misalignment between the mould and wafer can cause nanoscale errors, disrupting electrical connections. Canon claims its system achieves nanometre precision, but maintaining this consistently during production is difficult. Then there is throughput, or how many wafers a machine can process per hour. ASML’s high-NA EUV tools can handle over 180 wafers per hour, with some older models reaching nearly twice that. In contrast, Canon’s latest NIL system manages only 110 wafers per hour, making it less suited for high-volume chip production—at least for now.
So far NIL has found more success outside semiconductor manufacturing, particularly in making smartphone displays and other high-precision components. The technology is now making inroads into memory-chip production, where higher defect rates are more tolerable than in logic chips. Iwamoto Kazunori, the head of Canon’s optical division, believes that NIL can co-exist with EUV lithography, cheaply performing manufacturing steps where it can and steering clear of finer detail.
Such innovation could help firms design faster and more energy-efficient chips capable of powering a new generation of AI models. If ASML is not careful, the world’s most important machine may not keep its title for ever. ■