Perché Tsmc sceglierà ancora Asml per i chip più avanzati

Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (Tsmc) ha per qualche tempo posticipato la decisione sull’adozione dei nuovi macchinari litografici di Asml. Si tratta della nuova generazione di luce ultravioletta ad alta apertura numerica (High-Na Euv), una tecnologia cha ha richiesto numerosi investimenti da parte della società olandese e dei suoi fornitori strategici, come Zeiss e Trumpf, nel corso dell’ultimo decennio.

Secondo Tsmc, l’utilizzo del nuovo macchinario sarebbe stato, ad oggi, economicamente ingiustificabile non prima del 2026, considerando il costo complessivo (che si aggirerebbe intorno ai $400 milioni per singola unità) e la relativa capacità dell’azienda di operare con profitto ai nodi più avanzati (7-5-4 nanometri) con gli attuali ordinativi (principalmente da Apple e Nvidia) e su cui operano una trentina di macchinari Euv della generazione precedente. Basti pensare che le nuove e tanto richieste GPUs di Nvidia “Blackwell” sono fabbricate su un nodo da 4 nanometri e integrate in un superchip, mentre Apple sta sviluppando la nuova generazione di microchip della serie “M” (da introdurre nell’Iphone 17) in collaborazione con TSMC su un nodo da 2 nanometri.

Tuttavia, sembrerebbe che nel quartier generale di Hsinchu Park, a Taiwan, le cose siano cambiate con un ripensamento repentino, come suggerito da una visita del ceo C. C. Wei nelle sedi di Asml. A spingere probabilmente per questo cambio di strategia probabilmente è stata Intel. La società americana, tra gli investitori insieme a Samsung e alla stessa TSMC nello sviluppo e condivisione dei rischi d’investimento per la tecnologia Euv agli inizi degli anni 2010, ha scommesso tutte le sue carte per il catch-up con la società taiwanese (leader di mercato) sui macchinari High-Na Euv. Infatti, è stata la prima azienda di semiconduttori a piazzare il primo ordinativo (alla fine del 2017), con la spedizione del primo colosso da 150 tonnellate nei suoi impianti in Oregon ad inizio dicembre del 2023 per iniziare i primi test sulla nuova tecnologia di processo 18A (1.8 nanometri), prima di poter lanciare la linea produttiva.

A differenza di Intel, Tsmc aveva confermato di poter contare ancora almeno fino al 2026 sui macchinari Low-NA di cui già dispone, essendo stata la prima azienda ad adottarli per la produzione su scala industriale, seguita poi da Samsung. La società taiwanese si è detta soddisfatta dei miglioramenti sui rendimenti di questi dispositivi, incluso l’utilizzo di ulteriori foto-maschere per una maggiore efficienza produttiva sui design dei transistor a scala nanometrica più ridotta, specialmente per il nuovo processo A16 che, secondo la roadmap dell’azienda, sarebbe pronta nel terzo quadrimestre del 2027. Inoltre, secondo le stime dell’azienda per il 2023, i nodi più avanzati (come l’N3, avviato nel 2020 nella Fab 18) ormai contano per oltre metà del fatturato sui wafer di silicio prodotti.

Ma come sempre, al di là dei profitti immediati, nell’industria dei chip quello che conta è la capacità di anticipare i concorrenti negli investimenti per portare, per primi, sul mercato i microprocessori più all’avanguardia, sull’onda  dell’intelligenza artificiale. Ed è probabilmente questa necessità che ha spinto Wei a rinunciare di presenziare al Technology Symposium 2024 per, invece, prendere la via di Veldhoven nella giornata di domenica. Secondo le fonti di Business Korea, alcuni dettagli di questa visita segreta sarebbero stati rivelati dai post sui social media del ceo di Asml, Christophe Fouquet, e dell’omologo della tedesca Trumpf, Nicola Leibinger-Kammullerd.

La visita, dunque, sembrerebbe una conferma che Tsmc si stia muovendo per assicurarsi ordinativi per i macchinari High-Na Euv: un vero e proprio colpo di pistola che sancisce l’inizio della corsa vera e propria sotto i 2 nanometri. È possibile che Tsmc introdurrà i nuovi macchinari, tuttavia, solo dopo aver completato e ottimizzato l’A16, per testarli successivamente per il nodo A14 (1.4 nanometri) che, come i precedenti, utilizzerà design di chip gate-all-around (GAA) che impiegano, a differenza della generazione dei Finfet, complessi pattern di transistor disegnati sia orizzontalmente che verticalmente. E’ per questa tipologia che potrebbe essere prevista l’introduzione del nuovo macchinario di Asml.

Durante l’ITF World 2024, ospitato dall’Imec (istituto con sede in Belgio che raccoglie il meglio della ricerca mondiale in ambito di semiconduttori e microelettronica), Asml, con le parole dell’oramai ex cto Martin van den Brink, ha annunciato di aver raggiunto un record di densità di transistor con l’utilizzo della macchina High-NA. Le macchine Euv standard utilizzano un fascio di luce con una lunghezza d’onda pari a 13.5 nanometri e una apertura numerica (NA) di 0.33, che misura la precisione per raccogliere e proiettare il raggio Euv, mentre la nuova generazione utilizza la stessa lunghezza d’onda ma con un coefficiente NA di 0.55 che abiliterebbe l’incisione di strutture (e transistor) ad una scala ancor più piccola. Ora il punto fondamentale sarà quello di ridurre i costi di produzione di chip con questo macchinario, denominato High-NA EXE:5200 Euv, aumentando la capacità di processare wafer di silicio (con un rendimento adeguato) a circa 400-500 wafer all’ora. Come per le altre macchine, dovrà essere perfezionata in sincronia con i chipmakers.

“The pioneers are the ones with arrows in their back” scriveva Bob Noyce, fondatore di Intel, nel 1986. La tempistica di adozione della tecnologia Euv non è solo un gioco di anticipo (come suggerirebbe una lettura superficiale della mossa della società americana o dell’attendismo di Tsmc), ma è un’arte di “creare o distruggere” e dipende dalla capacità di concepire il tuo prodotto con le necessità e richieste dei clienti, in un’industria strutturalmente ciclica. Tsmc ha adottato l’Euv nel 2016 quando uno dei suoi principali clienti, Apple, stava pianificando l’uscita dell’Iphone con microprocessore da 5 nanometri. È dunque probabile che Tsmc abbia aspettato (seppur manchino ancora conferme ufficiali) con gli ordinativi dei dispositivi High-Na Euv anche perché siamo in una fase in cui gli investimenti Capex della società andranno sempre più verso capacità produttive (fab) orientate ai grandi player dell’IA, come appunto Nvidia e Amd. Secondo le previsioni di Tsmc, rivelate durante il Technology Symposiums, gli acceleratori AI cresceranno come peso sul mercato più ampio dei semiconduttori (che potrebbe toccare, nel complesso, quota $650 miliardi) del 250% nel 2024 (un trend di cui, chiaramente, beneficerà direttamente la società dal momento che fabbrica il 90% dei chip IA).

È in questo senso che la bontà della mossa di Intel dovrà confrontarsi non tanto con la roadmap di Tsmc, ma piuttosto con la capacità di attrarre i clienti, convincendoli che i Foundry Service in Oregon e in Arizona saranno equamente affidabili. Una questione di cooperazione tecno-scientifica con l’ecosistema, resa naturalmente più complessa dalla competizione geopolitica tra Stati Uniti e Cina, ovvero i due mercati di riferimento dell’industria dei semiconduttori (il primo per la leadership nel segmento del design, l’altro per l’integrazione dei chip nell’elettronica di consumo).

Ma anche Samsung non resta a guardare. Secondo alcune fonti, la società americana Amd (leader nel design di chip logici e unica seria contendente del monopolio di Nvidia sui chip IA) sarebbe in fase di contrattazioni con l’azienda coreana per produrre i suoi microprocessori GAA su tecnologia di processo a 3 nanometri (impiegata solo da Samsung), ponendo dunque un’ulteriore pressione a TSMC sullo share di mercato per il segmento foundry. Secondo quanto dichiarato da Lisa Su, ceo di Amd, la decisione è stata presa per “migliorare l’efficienza energetica e la performance”. Amd attualmente appalta parte della produzione delle sue CPUs e GPUs per gli acceleratori IA a Tsmc sulle sue linee produttive da 4 e 5 nanometri, dal momento che le capacità dell’azienda ai 3 nanometri sarebbero completamente riservate ad Apple e Qualcomm.

Qualora Samsung riuscisse a chiudere la trattativa, riuscirebbe a migliorare ulteriormente la performance del suo business per le attività di manifattura avanzata (foundry), che attualmente vede per il primo quadrimestre di quest’anno Tsmc godere del 62% del mercato contro il 13% dell’azienda coreana. A differenza di Tsmc, che è una pure-play foundry, Samsung attualmente segue un modello di business integrato (Idm) come Intel, disegnando in-house parte dei suoi chip. Come conferma la sua roadmap tecnologica, anche Samsung punta ad introdurre i nuovi macchinari di Asml a partire dal terzo trimestre del 2025. Il Chairman Lee Jae-yong ha infatti incontrato il ceo di Asml e della società tedesca Carl Zeiss (che produce gli avanzati sistemi ottici utilizzati per riflettere la luce ultravioletta) nella sede in Germania, a Oberkochen, per rafforzare “l’alleanza triangolare dei semiconduttori”. Una visita che segue la firma di un memorandum of understanding, lo scorso dicembre, tra Asml e Samsung per la costruzione di un centro di R&D in Corea con la benedizione del Presidente coreano, Yoon Suk Yeol. Con l’Euv sempre più centrale nei processi da 2 nanometri, ma anche per i chip Dram (memoria) di cui è leader, anche Samsung starebbe scommettendo sul nuovo salto tecnologico (nonostante i dubbi iniziali sull’affidabilità tecnica del dispositivo High-NA su questa tipologia di chip).

Su Samsung, al pari di SK Hynix, la Corea sta scommettendo massicciamente per sorpassare Taiwan come principale produttore e hub mondiale di semiconduttori. Una strategia che sarebbe in linea con la diversificazione promossa dall’alleato statunitense, che con gli incentivi del Chips for America Act è riuscito ad attirare sul suolo nazionale investimenti significativi dei tre grandi produttori globali. Secondo le stime della SIA e del Boston Consulting Group, gli Stati Uniti sarebbero così in grado di invertire la traiettoria che li ha visti passare dal 37% dello share nel 1990 al 12% del 2020, con la progressiva (ma non casuale) concentrazione della produzione nell’Asia-Pacifico. E dunque della domanda di macchinari Euv..