Em uma manhã monótona de segunda-feira em San Jose, Califórnia, no San Jose Convention Center, os participantes da SPIE Advanced Lithography and Patterning Conference entraram no salão principal até que todos os assentos estivessem ocupados e a multidão começasse a se alinhar nas paredes ao longo do fundo e das laterais da sala. A convenção reúne pessoas que trabalham no setor de chips de todo o mundo. Naquela manhã fria de fevereiro, eles se reuniram para ouvir as personalidades do setor de tecnologia exaltarem o falecido Gordon Moore, cofundador e primeiro CEO da Intel.
Craig Barrett, também ex-CEO da Intel, prestou homenagem, assim como o lendário engenheiro Burn-Jeng Lin, pioneiro da litografia de imersão, uma tecnologia de padronização que permitiu que o setor de chips continuasse avançando há cerca de 20 anos. Em sua maioria, os discursos tenderam a reflexões sobre o próprio Moore — testemunhos de sua genialidade, realizações e humanidade. Mas o último orador da manhã, Martin van den Brink, adotou um tom diferente, mais parecido com uma volta da vitória do que com um elogio. Van den Brink é o copresidente e CTO da ASML, a empresa holandesa que fabrica as máquinas que, por sua vez, permitem que os fabricantes produzam os chips de computador mais avançados do mundo.
A Lei de Moore afirma que o número de transistores em um circuito integrado dobra a cada dois anos, aproximadamente. Em essência, isso significa que os fabricantes de chips estão sempre tentando reduzir o número de transistores em um microchip para poderem colocar mais deles. A cadência tem sido cada vez mais difícil de manter, agora que as dimensões do transistor são medidas em poucos nanômetros. Nos últimos anos, as máquinas da ASML evitaram que a Lei de Moore se esgotasse. Atualmente, elas são as únicas no mundo capazes de produzir circuitos com a densidade necessária para manter os fabricantes de chips praticamente no caminho certo. É a própria premissa da Lei de Moore, disse van den Brink, que impulsiona o setor ano após ano.
Para mostrar a grande conquista que foi manter a Lei de Moore desde que ele entrou na ASML em 1984, van den Brink se referiu ao problema do arroz e do tabuleiro de xadrez, no qual o número de grãos de arroz — um substituto para os transistores — é dobrado em cada quadrado sucessivo. O crescimento exponencial do número de transistores que podem ser colocados em um chip desde 1959 significa que um único grão de arroz naquela época se tornou o equivalente a três navios-tanque, cada um com 240 metros de comprimento, cheios de arroz. É muito arroz! No entanto, a Lei de Moore obriga a empresa — obriga todo o setor de tecnologia — a continuar avançando. Cada era da computação, mais recentemente a da IA, trouxe demandas maiores, explicou van den Brink. Em outras palavras, embora três caminhões-tanque cheios de arroz possam parecer muito, amanhã precisaremos de seis. Depois, 12. Depois, 24. E assim por diante.
A tecnologia da ASML, garantiu ele, estaria lá para atender às demandas, graças ao investimento da empresa na criação de ferramentas capazes de produzir recursos cada vez mais finos: as máquinas de litografia ultravioleta extrema (EUV), que foram amplamente lançadas em 2017, as máquinas EUV de alta abertura numérica (high-NA), que estão sendo lançadas agora e as máquinas EUV hiper NA, que foram esboçadas para o futuro.
O tributo pode ter sido criado para Gordon Moore, mas, ao final da apresentação de van den Brink, toda a sala se levantou para aplaudi-lo de pé. Porque se Gordon Moore merece crédito por criar a lei que impulsionou o progresso do setor, como diz van den Brink, a ASML e o CTO da empresa holandesa merecem grande parte do crédito por garantir que o progresso continue sendo possível.
No entanto, isso também significa que a pressão está aumentando. A ASML precisa tentar se manter à frente das demandas da Lei de Moore. A empresa precisa continuar garantindo que os fabricantes de chips possam continuar dobrando a quantidade de arroz no tabuleiro de xadrez. Isso será possível? Van den Brink conversou com a MIT Technology Review para falar sobre a história da ASML, seu legado e o que vem a seguir.
Apostando alto em um comprimento de onda pesado
A ASML é uma líder tão indiscutível no atual ecossistema de chips que é difícil acreditar que o domínio de mercado da empresa realmente data apenas de 2017, quando sua máquina EUV, após 17 anos de desenvolvimento, derrubou o processo convencional de fabricação de chips.
Desde a década de 1960, a fotolitografia tornou possível embalar chips de computador com um número cada vez maior de componentes. O processo envolve a criação de pequenos circuitos, orientando feixes de luz por meio de uma série de espelhos e lentes e, em seguida, incidindo essa luz em uma máscara, que contém um padrão. A luz transmite o design do chip, camada por camada, acabando por construir circuitos que formam os blocos de construção computacionais de tudo, desde smartphones até Inteligência Artificial.
Os fotolitógrafos têm um conjunto limitado de ferramentas à sua disposição para fazer projetos menores e, durante décadas, o tipo de luz usado na máquina foi o mais importante. Na década de 1960, as máquinas usavam feixes de luz visível. Os menores traços que essa luz podia desenhar no chip eram grandes — um pouco como usar um marcador de texto para desenhar um retrato.
Em seguida, os fabricantes começaram a usar comprimentos de onda de luz cada vez menores e, no início da década de 1980, já podiam produzir chips com luz ultravioleta. A Nikon e a Canon eram as líderes do setor. A ASML, fundada em 1984 como uma subsidiária da Philips em Eindhoven, na Holanda, era apenas uma pequena empresa.
Segundo van den Brink, ele chegou à empresa quase por acidente. A Philips era uma das poucas no setor de tecnologia da Holanda. Quando começou sua carreira na companhia, em 1984, e estava pesquisando as várias oportunidades, ficou intrigado com a foto de uma máquina de litografia.
“Olhei para a foto e disse: ‘ela tem mecânica, tem óptica, tem software — parece uma máquina complexa. Vou me interessar por isso”, disse van den Brink à MIT Technology Review. Eles disseram: ‘bem, você pode fazer isso, mas a empresa não fará parte da Philips. Estamos criando uma joint venture com a ASM International e, após a joint venture, você não fará parte da Philips’. Eu disse que sim porque não estava nem aí. E foi assim que tudo começou.”
Quando van den Brink entrou na empresa, nos anos 80, pouca coisa na ASML fazia com que ela se destacasse das outras grandes de litografia da época. “Não vendemos uma quantidade substancial de sistemas até os anos 90. E quase fomos à falência várias vezes nesse período”, diz van den Brink. “Portanto, para nós, havia apenas uma missão: sobreviver e mostrar ao cliente que podíamos fazer a diferença.”
Em 1995, a empresa tinha uma posição forte o suficiente no setor contra as concorrentes Nikon e Canon para abrir o capital. Mas todos os fabricantes de litografia estavam travando a mesma batalha para criar componentes menores nos chips.
Se você pudesse ter escutado uma reunião na ASML no final dos anos 90 sobre essa situação, talvez tivesse ouvido conversas sobre uma ideia chamada litografia ultravioleta extrema (EUV) — juntamente com a preocupação de que talvez nunca funcionasse. Naquele momento, com a pressão para condensar os chips além das capacidades atuais, parecia que todos estavam perseguindo a EUV. A ideia era padronizar os chips com um comprimento de onda de luz ainda menor (em última análise, apenas 13,5 nanômetros). Para isso, a ASML teria que descobrir como criar, capturar e focalizar essa luz — processos que haviam deixado os pesquisadores perplexos por décadas — e construir uma cadeia de suprimentos de materiais especializados, incluindo os espelhos mais suaves já produzidos. E certificar-se de que o preço não afastaria seus clientes.
A Canon e a Nikon também estavam buscando o EUV, mas o governo dos EUA negou a elas uma licença para participar do consórcio de empresas e laboratórios nacionais dos EUA que o pesquisavam. Posteriormente, ambas desistiram. Enquanto isso, a ASML adquiriu a quarta grande empresa que estava pesquisando EUV, a SVG, em 2001. Em 2006, a empresa havia enviado apenas dois protótipos de máquinas EUV para instalações de pesquisa, e foi preciso esperar até 2010 para enviar um protótipo para um cliente. Cinco anos depois, a ASML alertou em seu relatório anual que as vendas de EUV continuavam baixas, que os clientes não estavam ansiosos para adotar a tecnologia devido à sua velocidade lenta na linha de produção e que, se o padrão continuasse, poderia ter efeitos “materiais” sobre os negócios, dado o investimento significativo.
No entanto, em 2017, após um investimento de US$ 6,5 bilhões em P&D ao longo de 17 anos, a aposta da ASML começou a valer a pena. Naquele ano, a empresa enviou 10 de suas máquinas EUV, que custaram mais de US$ 100 milhões cada, e anunciou que dezenas de outras estavam em espera. As máquinas EUV foram para os titãs da fabricação de semicondutores — Intel, Samsung e Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) — e para um pequeno número de outros. Com uma fonte de luz mais brilhante (o que significa menos tempo necessário para transmitir padrões), entre outras melhorias, as máquinas eram capazes de atingir velocidades de produção mais rápidas. O salto para o EUV finalmente fez sentido econômico para os fabricantes de chips, colocando a ASML essencialmente em uma posição de monopólio.
Chris Miller, professor de história da Universidade Tufts e autor de Chip War: The Fight for the World’s Most Critical Technology (Guerra dos chips: a luta pela tecnologia mais importante do mundo), diz que a ASML estava culturalmente equipada para levar esses experimentos até o fim. “É uma vontade obstinada de investir em tecnologia que a maioria das pessoas achava que não funcionaria”, disse ele à MIT Technology Review. “Ninguém mais estava apostando no EUV, porque o processo de desenvolvimento era muito longo e caro. Ele envolve a ampliação dos limites da física, da engenharia e da química.”
Um fator fundamental para o crescimento da ASML foi seu controle da cadeia de suprimentos. A ASML adquiriu várias das empresas das quais depende, como a Cymer, fabricante de fontes de luz. Essa estratégia de controle preciso do poder na cadeia de suprimentos também se estendeu aos clientes da ASML. Em 2012, a empresa ofereceu ações a seus três maiores clientes, que conseguiram manter o domínio de seu próprio mercado em parte devido ao poder de fabricação de elite das máquinas da ASML.
“Nosso sucesso depende do sucesso deles”, disse van den Brink à MIT Technology Review.
Também é uma prova do domínio da ASML o fato de que, em sua maior parte, ela não tem mais permissão para vender seus sistemas mais avançados a clientes na China. Embora a ASML ainda faça negócios na China, em 2019, seguindo a pressão da administração Trump, o governo holandês começou a impor restrições às exportações de máquinas EUV da ASML para o país asiático. Essas regras foram reforçadas ainda mais no ano passado e agora também impõem limites a algumas das máquinas de ultravioleta profundo (DUV) da empresa, que são usadas para fabricar chips menos avançados do que os sistemas EUV.
Van den Brink diz que a maneira como os líderes mundiais estão discutindo litografia agora era inimaginável quando a empresa começou: “Nosso primeiro-ministro estava sentado na frente de Xi Jinping, não porque ele fosse holandês — quem se importaria com a Holanda? Ele estava lá porque estamos fazendo EUV”.
Apenas alguns anos após o envio das primeiras máquinas de EUV, a ASML enfrentaria sua segunda reviravolta. Por volta do início da pandemia, o interesse e o progresso no campo da Inteligência Artificial fizeram com que a demanda por capacidade de computação disparasse. Empresas como a OpenAI precisavam de chips de computador cada vez mais potentes e, no final de 2022, o frenesi e o investimento em IA começaram a ferver.
Naquela época, a ASML estava se aproximando de sua mais nova inovação. Tendo já adotado um comprimento de onda de luz menor (e realinhado todo o setor de semicondutores a ele no processo), ela agora voltava sua atenção para a outra alavanca em seu controle: a abertura numérica. Essa é a medida de quanta luz um sistema pode focalizar e, se a ASML pudesse aumentá-la, as máquinas da empresa poderiam imprimir componentes ainda menores.
Fazer isso significava uma infinidade de mudanças. A ASML precisou adquirir um conjunto ainda maior de espelhos de seu fornecedor Carl Zeiss, que precisavam ser ultra suaves. A Zeiss teve que construir máquinas totalmente novas, cujo único objetivo era medir a suavidade dos espelhos destinados à ASML. O objetivo era reduzir o número de repercussões onerosas que a mudança teria no restante da cadeia de suprimentos, como as empresas que fabricam retículos contendo os designs dos chips.
Em dezembro de 2023, a ASML começou a enviar o primeiro de seus dispositivos EUV de próxima geração, uma máquina de alto Nano (alto NA), para as instalações da Intel em Hillsboro, Oregon. Trata-se de uma versão de P&D e, até o momento, a única em campo. Foram necessários sete aviões e 50 caminhões para levá-la até a fábrica da Intel, e a instalação da máquina, que é maior do que um ônibus de dois andares, levará seis meses.
As máquinas de alto NA serão necessárias apenas para produzir as camadas mais precisas de chips avançados para a indústria; os projetos de muitos outros ainda serão impressos usando a geração anterior de máquinas EUV ou máquinas DUV mais antigas.
A ASML recebeu pedidos de máquinas de alto nível de DNA de todos os seus atuais clientes de EUV. Elas não são baratas: os relatórios estimam o custo em US$ 380 milhões. A Intel foi o primeiro cliente a atacar, encomendando a primeira máquina disponível no início de 2022. A empresa, que perdeu uma participação de mercado significativa para a concorrente TSMC, está apostando que a nova tecnologia lhe dará um novo ponto de apoio no setor, embora outros fabricantes de chips também venham a ter acesso a ela.
“Há benefícios óbvios para a Intel por ser a primeira”, diz Miller. “Há também riscos óbvios.” De acordo com Miller, será um desafio para a empresa decidir em quais chips usar essas máquinas e como fazer com que seu dinheiro valha a pena.
O lançamento dessas máquinas, se for bem-sucedido, poderá ser visto como a maior conquista da carreira de van den Brink. Mas ele já está se preparando para o que vem a seguir.
O futuro
A próxima grande ideia da ASML, de acordo com van den Brink e outros executivos da empresa que conversaram com a MIT Technology Review, é a tecnologia hiper-NA. As máquinas de alto NA da empresa têm uma abertura numérica de 0,55. As ferramentas hiper NA teriam uma abertura numérica superior a 0,7. O que isso significa, em última análise, é que a hiper NA, se for bem-sucedida, permitirá que a empresa crie máquinas que permitam aos fabricantes reduzir ainda mais as dimensões dos transistores — desde que os pesquisadores consigam desenvolver componentes de chips que funcionem bem em dimensões tão pequenas. Assim como aconteceu com o EUV no início dos anos 2000, ainda é incerto se o hiper NA é viável — se não fosse isso, o custo poderia ser proibitivo. No entanto, van den Brink projeta uma confiança cautelosa. É provável, segundo ele, que a empresa tenha três ofertas disponíveis: baixo NA, alto NA e, se tudo der certo, hiper NA.
“O Hiper NA é um pouco mais arriscado”, diz van den Brink. “Seremos mais cautelosos e mais sensíveis aos custos no futuro. Mas se conseguirmos fazer isso, teremos um trio vencedor que cuidará de toda a fabricação avançada em breve.”
No entanto, embora hoje todos estejam apostando na ASML para continuar impulsionando o setor, há especulações de que um concorrente poderia surgir da China. Van den Brink rejeitou essa possibilidade, citando a lacuna existente até mesmo na litografia de última geração.
“As SMEE estão fabricando máquinas DUV, ou pelo menos afirmam que podem fazê-lo”, disse ele à MIT Technology Review, referindo-se a uma empresa que fabrica o antecessor da tecnologia de litografia EUV, e ressaltou que a ASML ainda tem a participação dominante no mercado. As pressões políticas podem significar mais progresso para a China. Mas chegar ao nível de complexidade envolvido no conjunto de máquinas da ASML, com baixo, alto e hiper NA, é outra questão, diz ele: “Eu me sinto bastante confortável com o fato de que levará muito tempo até que eles possam copiar isso”.
Miller, da Tufts University, está confiante de que as empresas chinesas acabarão desenvolvendo esses tipos de tecnologias por conta própria, mas concorda que a questão é quando. “Se for em uma década, será tarde demais”, diz ele.
A verdadeira questão, talvez, não seja quem fabricará as máquinas, mas se a Lei de Moore se manterá. O CEO da Nvidia, Jensen Huang, já declarou que ela está morta. Mas quando perguntado sobre o que ele achava que poderia fazer com que a Lei de Moore finalmente parasse, van den Brink rejeitou totalmente a premissa.
“Não há razão para acreditar que isso vai parar. Não vou lhe dar uma resposta sobre onde isso vai parar”, disse ele. “Ele terminará quando estivermos ficando sem ideias em que o valor que criamos com tudo isso não se equilibrará com o custo que isso acarretará. Então, ela acabará. E não por falta de ideias.”
Ele adotou uma postura semelhante durante seu tributo a Moore na conferência da SPIE, exalando confiança. “Não tenho certeza de quem fará a apresentação daqui a 10 anos”, disse ele, voltando à sua analogia com o arroz. “Mas meus sucessores”, afirmou ele, “ainda terão a oportunidade de preencher o tabuleiro de xadrez”.
O artigo original foi escrito por Mat Honan, editor-chefe da MIT Technology Review e James O’Donnell, repórter de Inteligência Artificial na MIT Technology Review.
Mat Honan e James O'Donnell
