Elon Musks Skalpell, Lithografiemaschinen und Chipfabriken
Musk plant eine radikale Überarbeitung der EUV-Lithografieanlagen.
Um die physische Abhängigkeit der herkömmlichen extremen Ultraviolett-Lithografie von einer eigenständigen Einzellichtquelle zu durchbrechen, richtet Musk seinen Blick direkt auf industrielle Freie-Elektronen-Laser (FEL).
Am 6. August Ortszeit in den USA veröffentlichte der offizielle Account von SpaceX ein nachts gerendertes Video der riesigen Chipproduktionsanlage Terafab, in dessen Mitte eine riesige ringförmige Struktur eines zyklischen Beschleunigers sofort große Aufmerksamkeit erregte.
Das von SpaceX offiziell veröffentlichte Render-Video von Terafab
@beffjezos, Gründer von Extropic und ehemaliger Ingenieur für Quantencomputing bei Google, vermutet, dass Musk möglicherweise plant, für diese Wafer-Fabrik eine EUV-Lithografie-Lichtquelle auf Basis von Freie-Elektronen-Lasern zu bauen.
Einen Tag später antwortete Musk persönlich: „FEL FTW“. (Anmerkung: Free Electron Laser, For The Win, Freie-Elektronen-Laser, wir gewinnen).
Die Umsetzung des FEL-Lichtquellenkonzepts zielt direkt auf die Monopolstellung von ASML im Bereich der EUV-Lithografie ab, dahinter steht Musks Entwurf einer „Chipproduktionsfabrik“.
Auf dem Gelände eines stillgelegten Kohlekraftwerks im Grimes County, Texas, wird das von SpaceX und Tesla gemeinsam finanzierte Terafab-Projekt vorangetrieben. Die erste Phase sieht eine Investition von 16,8 Milliarden US-Dollar vor, die geplante Produktionsfläche beträgt mehr als 100 Millionen Quadratfuß (ca. 9,29 Millionen Quadratmeter).
Und die FEL-Lichtquelle ist eine der zentralsten technischen Wagnisse dieser Superfabrik.
01
Weshalb kann er ASML herausfordern?
Chiphersteller wie TSMC, Samsung und Intel sind bei der Herstellung von Chips mit fortschrittlichsten Fertigungsverfahren weltweit extrem auf die EUV-Lithografieanlagen von ASML angewiesen.
Die Lichtquelle der EUV-Lithografieanlagen von ASML stammt aus internen Hochleistungs-Kohlenstoffdioxid-Lasern, die winzige geschmolzene Zinströpfchen mit einer Frequenz von etwa 50.000 Mal pro Sekunde treffen. Jedes Zinströpfchen wird zweimal nacheinander getroffen, zu extrem heißen Plasma (LPP) verdampft und strahlt eine EUV-Lichtquelle aus, die dann von gekrümmten Spiegeln gesammelt und auf den Wafer geleitet wird.
Prinzip der EUV-Lichterzeugung bei ASML: Der Laser trifft auf winzige geschmolzene Zinströpfchen. Quelle: Plattform X
Dieses Konzept hat das aktuelle Zeitalter der EUV-Chips ermöglicht, stößt aber auch an unüberwindbare physische Grenzen.
Zuerst ist die Energieeffizienz extrem gering, der größte Teil des Stroms wird beim Erhitzen der Zinströpfchen zu Abwärme umgewandelt; zweitens hinterlässt das verdampfte Zinn Ablagerungen, die teure präzise Spiegel verschmutzen und angreifen, was die Ausfallzeiten für die Wartung der Anlagen stark erhöht; schließlich steigt mit der steigenden Nachfrage nach Belichtungsleistung die Komplexität des dezentralen Einzelsystems an die physische Grenze heran.
Im Gegensatz dazu funktioniert der Freie-Elektronen-Laser (FEL) nach einem völlig anderen Prinzip.
Das von Terafab geplante FEL-Konzept erzeugt Licht direkt, indem ein Teilchenbeschleuniger Elektronenstrahlen beschleunigt, es folgt dem Modell eines zentralen Kraftwerks, bei dem ein Beschleunigerring die Lichtquelle an Dutzende von Lithografieanlagen verteilt.
Der bekannte Investor und Gründer von Hallid.ai, @indigo, erklärt, dass FEL zuerst freie Elektronen aus Atomen löst, diese mit einem Teilchenbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann den schnellen Elektronenstrahl durch einen Undulator aus wechselnden Magneten leitet. Das Magnetfeld zwingt die Elektronen, auf einer wellenförmigen Bahn mit hoher Geschwindigkeit zu schwingen und elektromagnetische Wellen auszustrahlen. Wenn eine große Anzahl kohärenter Elektronen gemeinsam bewegt wird, verstärkt sich das ausgestrahlte Licht selbst, sodass ein starker und hoch fokussierter Lichtstrahl entsteht.
Durch Anpassung der Elektronenenergie und des Magnetabstands kann FEL die Ausgangswellenlänge exakt abstimmen, einschließlich der für die Chipherstellung benötigten Lichtquelle mit 13,5 Nanometer.
Der Vorteil des FEL-Konzepts liegt in einer sauberen Lichtquelle ohne Zinnverschmutzung, die die Abnutzung der optischen Linsen extrem gering hält. Dies reduziert nicht nur die Wartungsausfälle erheblich, sondern kann nach Daten des japanischen KEK-Labors bei gleicher EUV-Ausgangsleistung den Energieverbrauch auf ein Viertel bis ein Fünftel des herkömmlichen Systems senken.
Darüber hinaus kann FEL die Ausgangswellenlänge exakt abstimmen, einschließlich der für die Chipherstellung benötigten Lichtquelle mit 13,5 Nanometer. Theoretisch kann es in Zukunft nahtlos auf Wellenlängen von 6.x Nanometer oder sogar kürzer erweitert werden.
indigo fasst diese Lösung als „Neugestaltung der Lithografie nach ersten Prinzipien“ zusammen.
Diese Veränderung auf Architekturebene ist am grundlegendsten. Sie macht Licht zu einer öffentlichen Infrastruktur wie Wasser, Strom und Gas. Der ringförmige Beschleuniger im Terafab-Renderbild ist genau das zentrale Glied, das Photonen zentral erzeugt und bedarfsgerecht an alle Belichtungsanlagen im Werk verteilt.
Um 2015 herum hat ASML auch Beschleuniger-Lichtquellen eingehend bewertet, sich aber schließlich für das Plasmalichtquellen-Konzept mit geringerem Risiko und leichterer Modularisierung entschieden, da die Beschleuniger sehr groß sind, die Anforderungen an die Zuverlässigkeit des industriellen Dauerbetriebs extrem hoch sind und die Anfangsinvestitionen riesig sind.
Start-ups wie xLight treiben ebenfalls die Kommerzialisierung von zentralen FEL-Lichtquellen voran, mit dem Ziel, 2028 einen Prototypen vorzulegen, aber bis heute hat kein Unternehmen ein industrielles System erfolgreich ausgeliefert.
Auch in China werden ähnliche „Lithografiefabrik“-Konzepte erforscht, bei denen eine Lichtquellenfabrik EUV-Strahlen erzeugt und diese an Dutzende von benachbarten Lithografie-Belichtungsplätzen zur gleichzeitigen Arbeit liefert.
Der Grund, warum Terafab auf FEL setzen kann, liegt im Wesentlichen in der riesigen Nachfrage nach Produktionskapazität.
Unter dem supergroßen Maßstab einer geplanten jährlichen Rechenleistung von 1 Terawatt werden die hohen Betriebskosten und der enorme Energieverbrauch des dezentralen Zinnplasma-Konzepts nicht mehr tragbar sein, während die ursprünglich hohen Anfangsinvestitionen in FEL stark verdünnt werden, sodass es von einem risikoreichen Alternativkonzept zu einer wirtschaftlich sinnvollen Option wird.
02
Stillgelegte Kraftwerke erstrahlen in neuem Glanz
Der Hauptstandort von Terafab befindet sich in Gibbons Creek im Grimes County, Texas, auf dem Gelände eines 2019 stillgelegten Kohlekraftwerks. Der Gibbons Creek-Stausee in der Nähe des alten Kraftwerks dient seit Jahrzehnten der Kühlung der Kohlekraftwerke. Das Team um Musk schätzt genau diese einzigartigen erhaltenen Infrastrukturen.
Terafab plant, mit diesem Stausee Regenwasser und Oberflächenwasser zu sammeln und vor Ort im Kreislauf zu führen, in Kombination mit ergänzenden lokalen Abwasserbehandlungsanlagen, um einen geschlossenen Wasserkreislauf zu realisieren und die Entnahme von Grundwasser in der Region vollständig zu vermeiden.
Bei der Energieversorgung verfolgt Terafab ein unabhängiges Konzept, das sich vollständig vom öffentlichen Stromnetz von Texas löst, indem es direkt ein eigenes lokales Erdgaskraftwerk zur Stromerzeugung baut. Dies vermeidet nicht nur vollständig Auswirkungen von Schwankungen des externen Stromnetzes auf die Produktionskontinuität der Wafer-Fabrik, sondern beseitigt auch Belastungen des Strombedarfs der lokalen Bevölkerung.
Quelle: Offizielle Website von SpaceX
Die Größe des gesamten Projekts bricht Rekorde im industriellen Bauwesen.
Ein von Musk geteilter Größenvergleich zeigt, dass die fertige Terafab eine Fläche haben wird, die 50 Mal so groß ist wie das Pentagon, das Hauptgebäude ist etwa 2,5 Meilen lang. Es besteht aus vier riesigen Gebäuden, die den gesamten Prozess der Logikchipherstellung, Speicherchipherstellung, fortschrittlichen Verpackung und Prüfung unter einem Dach vereinen und damit das traditionelle Muster der Halbleiterindustrie durchbrechen, das auf mehrere Lieferanten verteilt ist.
Gemäß den Anmeldedokumenten von SpaceX beträgt der gesamte Bauzeitraum des Projekts 11 Jahre (von 2026 bis 2037), der in mehreren Phasen schrittweise vorangetrieben wird. Die Massenproduktion wird voraussichtlich 2029 beginnen.
Bei den Kapitalinvestitionen wird die erste Phase mit 16,8 Milliarden US-Dollar gemeinsam von SpaceX und Tesla finanziert, die langfristige Gesamtinvestition kann bis zu 119 Milliarden US-Dollar betragen. Darüber hinaus hat die Regierung von Texas einen Zuschuss von rund 30 Millionen US-Dollar über den Unternehmensfonds (TEF) bereitgestellt.
Bei der lokalen Zusammenarbeit und steuerlichen Regelungen wird das erste Projekt mindestens 3000 Mitarbeiter einstellen, von denen voraussichtlich 60 % bis 80 % aus dem Grimes County und dem benachbarten Brazos County rekrutiert werden.
Das Steuerabkommen sieht vor, dass das Projekt eine Steuerermäßigung von rund 78 % genießt. Im Gegenzug versprechen SpaceX und Tesla, innerhalb von 35 Jahren jährlich 20 Millionen US-Dollar fest an das Grimes County zu zahlen, was insgesamt rund 710 Millionen US-Dollar entspricht. Die erste Zahlung von 10 Millionen US-Dollar wurde bereits im Voraus überwiesen, was etwa 40 % der jährlichen Grundsteuereinnahmen des Countys entspricht.
Bemerkenswert ist, dass vor dem Baubeginn des riesigen Campus im Grimes County ein wichtiges vorangehendes „Saatgut-Projekt“ im Nordcampus der Tesla Gigafactory Texas bereits den Grundstein gelegt hat.
Es handelt sich um eine Forschungs-Produktions-Wafer-Fabrik mit einer Investition von rund 3 Milliarden US-Dollar, die auf der neuesten Prozesstechnologie von Intel aufbaut und voraussichtlich nächstes Jahr fertiggestellt wird. Sie dient als technische Validierungslinie für Terafab, sodass die Chip-Prozessrezepte getestet und validiert werden können, ohne auf die vollständige Fertigstellung des riesigen Campus warten zu müssen.
03
Musk will drei Herausforderer gleichzeitig übertreffen
Das Designkonzept von Terafab besteht darin, die Funktionen von TSMC, Micron und Nvidia unter einem Dach zu vereinen.
In der traditionellen Produktionskette für KI-Chips sind Design, Herstellung von Logikschaltkreisen, Produktion von Speicherchips, Verpackung und Maskenherstellung oft auf verschiedene Unternehmen und Regionen verteilt. Eine einmalige Prozessänderung kann mehrere Monate an wiederholten Bestätigungen zwischen mehreren Lieferanten erfordern. Terafab bündelt diese Schritte stark, sodass Ingenieure für Design, Herstellung, Speicherung, Verpackung und Prüfung in derselben Einrichtung in Echtzeit zusammenarbeiten können.
Dieses Modell der vertikalen Integration hat Tesla bereits in den vergangenen Jahren in der Automobilproduktionslinie der Gigafactory Texas praktiziert, wo Gießen, Lackieren und Endmontage eng beieinander liegen. Jetzt wird nur das Integrationsobjekt von Automobilen auf Siliziumwafer umgestellt.
Die Produktlinie entspricht genau drei Geschäftsanforderungen und fließt in drei Endanwendungsbereiche.
Erstens die Tesla-Hardware: Der KI5-Chip ist speziell für das vollautonome FSD-Fahren und den humanoiden Roboter Optimus von Tesla entwickelt, ein Inferenzchip mit extrem geringem Stromverbrauch. Sein Design wurde diesen Frühjahr zum ersten Mal hergestellt, Siliziumproben werden voraussichtlich später in diesem Jahr geliefert, die Massenproduktion ist für 2027 geplant.
Quelle: Video von Brighter with Herbert
Musk hat die Dringlichkeit, den KI5-Chip richtig zu entwickeln, einst als „lebenswichtig“ beschrieben.
Der nachfolgende Chip KI6 für die Massenproduktion von Optimus und schwerere KI-Arbeitslasten soll im Dezember dieses Jahres zum ersten Mal hergestellt werden, die Massenproduktion ist für 2027 geplant, Samsung hat im vergangenen Sommer bereits einen Liefervertrag über