EUV, produrre chip con la litografia ultravioletta estrema costa tanto in termini energetici

La litografia ultravioletta estrema (EUV, Extreme Ultraviolet Lithography) è una tecnologia avanzata utilizzata nell’industria dei semiconduttori per la produzione di circuiti integrati. Grazie alla sua capacità di creare modelli estremamente piccoli su wafer di silicio, EUV rappresenta un passo significativo nella miniaturizzazione dei microchip, essenziale per lo sviluppo di dispositivi elettronici sempre più potenti e compatti. Capaci anche di ridurre i consumi energetici. EUV è così chiamata perché utilizza un fascio laser nell’intervallo dell’ultravioletto estremo, con lunghezze d’onda attorno ai 13 nanometri.

Come funziona EUV

Il processo di litografia ultravioletta estrema si basa su diverse fasi chiave. Un laser ad alta potenza è immerso in una camera a vuoto per evitare che l’atmosfera assorba la luce.

Le macchine EUV si servono quindi di un sistema a specchi multilayer altamente riflettenti per dirigere la luce verso il maschera (mask) contenente il design desiderato per il circuito che s’intende realizzare. La luce riflessa dalla maschera colpisce il wafer rivestito con un materiale fotosensibile, trasferendo il disegno e creando così un pattern che può essere inciso a livello di silicio.

Abbiamo visto come nasce un processore: EUV ha permesso di superare i limiti fisici che nel recente passato hanno rappresentato un limite per la creazione di chip sempre più miniaturizzati.

Fino ad oggi abbiamo utilizzato il nanometro come unità di misura per descrivere le dimensioni dei transistor nei chip. Adesso stiamo assistenza al passaggio da nanometri ad angstrom (un angstrom equivale a un decimo di nanometro). Il 2025 vuole essere l’anno del riscatto per Intel: la generazione di chip Panther Lake utilizzerà il processo 18Å (1,8 nm).

Ogni passaggio a un nodo tecnologico più piccolo comporta generalmente un miglioramento delle prestazioni quantificabile in circa il 15% rispetto al nodo precedente. Ciò significa che i chip possono eseguire operazioni più velocemente e consumare meno energia, fattori essenziali per soddisfare la crescente domanda di potenza computazionale in settori come l’intelligenza artificiale e il calcolo ad alte prestazioni.

I processi EUV consumano tanta energia

Sebbene i chip realizzati con la tecnologia EUV mirino a massimizzare l’efficienza energetica, i processi produttivi sono davvero energivori. Con un consumo energetico di circa 1.400 kilowatt per ciascun sistema EUV, sufficiente per alimentare una piccola città, queste apparecchiature sono diventate una delle principali voci di consumo energetico per l’intera industria, con impatti significativi sull’ambiente.

Secondo TechInsights, il consumo energetico di tutti gli stabilimenti dotati di strumenti EUV supererà i 54.000 gigawatt (GW) all’anno entro il 2030, un valore addirittura più elevato rispetto al fabbisogno energetico di Paesi come Singapore, la Grecia o la Romania.

Attualmente, gli scanner EUV a bassa apertura numerica (Low-NA) richiedono fino a 1.170 kW, mentre le successive generazioni ad alta apertura numerica (High-NA) si pongono sui 1.400 kW per unità. Il numero di queste macchine installate nelle fabbriche gestite da Intel, Micron, Samsung, SK hynix e TSMC continua ad aumentare ogni anno, e si stima che entro il 2030 il numero di stabilimenti con scanner EUV passerà dagli attuali 31 a 59.

Il consumo energetico degli impianti EUV sale a 54.000 GW annui

TechInsights prevede che il consumo annuale di energia per tutti i sistemi EUV installati raggiungerà i 6.100 GW, un valore paragonabile al consumo energetico del Lussemburgo. Tuttavia, il processo di produzione di ciascun chip avanzato richiede oltre 4.000 passaggi e centinaia di strumenti, e le apparecchiature EUV rappresentano circa l’11% del consumo totale di energia di una fabbrica, mentre il resto è attribuibile ad altri strumenti, sistemi HVAC, strutture di supporto e attrezzature di raffreddamento. Di conseguenza, il consumo complessivo di tutte le fabbriche dotate di strumenti EUV, sia Low-NA che High-NA, potrebbe facilmente spingersi oltre i 54.000 GW annui.

Per dare un’idea del numero, 54.000 GW annui equivalgono a cinque volte il consumo energetico dei data center di Meta registrato nel 2023. Tuttavia, nonostante sia un valore rilevante, rappresenta lo 0,21% del consumo energetico globale registrato nel 2021, che ammontava a circa 25.343.000 GW/anno.

Differenze tra EUV Low-NA e High-NA

L’apertura numerica (NA) è un parametro fondamentale nella tecnologia ottica, in particolare nella microscopia e nella litografia. Essa descrive la capacità di un sistema ottico di raccogliere luce e di risolvere dettagli fini.

I sistemi EUV Low-NA utilizzano un’apertura numerica tipicamente inferiore a 0,5, con una risoluzione di circa 13 nm. Questa tecnologia è attualmente lo standard per la produzione di chip a 5 nm e 7 nm, ma presenta difficoltà nel raggiungere nodi tecnologici più piccoli come i 3 nm.

EUV High-NA si serve di un’apertura numerica superiore a 0,5 e promette una risoluzione di circa 8 nm per migliorare significativamente le prestazioni per i nodi tecnologici futuri.

Per garantire un futuro sostenibile, sarà comunque sempre più indispensabile investire in tecnologie ad alta efficienza energetica, spingere sulle fonti di energia rinnovabile e collaborare con i legislatori per affrontare le sfide infrastrutturali. Solo così il settore potrà continuare a espandere le potenzialità dei semiconduttori, cercando di mantenere sempre più contenuto l’impatto ambientale.

ASML, principale produttore di scanner EUV, sta promuovendo iniziative di sostenibilità per contribuire al raggiungimento degli obiettivi di emissioni nette zero nel settore dei semiconduttori.

Credit immagine in apertura: TSMC