Jak se vyrábí čipy, které teď všem chybí? Je to drahé a fascinující

„Je to vůbec nejsložitější věc, kterou člověk kdy stvořil,“ řekl v roce 2004 o počítačovém čipu Craig Barrett, šéf americké firmy Intel, která se výrobou mikroprocesorů zabývá. Od té doby se počítačové čipy staly ještě mnohem složitějšími.

Většině lidí však zůstává tato složitost ukrytá. Křemíkové čipy se už před dlouhou dobou tak zmenšily, že si je nemůžeme prohlédnout, ani kdybychom chtěli. A hlavně naprosto zevšedněly, ročně se jich vyrobí stovky miliard a jejich cena za kus je zanedbatelná. Pozornost většiny světa přitáhl k tomuto fascinujícímu mikroskopickému kousku křemíku teprve akutní nedostatek těchto součástek.

Abychom pochopili, proč čipy najednou chybí – a proč nemůžeme prostě postavit továrnu a vyrobit jich víc – musíme se podívat na to, jak se počítačové čipy vyrábějí. Nebo spíše, jak se tyto superkomplikované křemíkové součástky líhnout a rostou.

Už minimálně půl století žijeme ve světě, který je závislý na elektronice. A elektronika, jak ji známe dnes – všudypřítomná, rychlá, spolehlivá – funguje možná jen díky integrovaným obvodům, kterým se zjednodušeně říká čipy. Některé čipy mají jednoduchou úlohu a pohánějí třeba dětskou hračku. Složitější čip třeba měří teplotu. Nejčastěji se však dnes setkáváme s počítačovými mikročipy, které už dávno nepracují jen v počítačích, ale najdeme je ve všech elektronických zařízeních kolem nás.

Navenek vykonává elektronika úkol podle toho, k čemu ji inženýři zkonstruovali a programátoři naprogramovali. Na úplně mikroskopické (či spíše nanoskopické) úrovni jde ale o velké množství maličkých tranzistorů, které zajišťují „logiku“ všech výpočetních operací. První tranzistory z poloviny 20. století připomínaly svou velikostí třešeň. Ale velmi rychle se vědcům z Bell Labs dařilo tuto univerzálně užitečnou součástku zmenšovat, a v 50. letech přišli Jack Kilby, Mohamed Atalla a Dawon Kahng s metodou, jak tyto tranzistory dostat na integrovaný obvod. Nastartovali éru miniaturizace, která pokračuje dodnes.

Všimněte si, že graf má svislou osu logaritmickou. To znamená, že exponenciální růst počtu tranzistorů vykreslí na grafu přímku. V praxi to znamená, že za dvacet let stoupl počet tranzistorů na stejné ploše přibližně tisíckrát.

„Vývoj čipů se řídí takzvaným Moorovým zákonem,“ vysvětluje Jiří Jakovenko, proděkan Fakulty elektrotechnické na ČVUT. „Není to tedy fyzikální zákon, spíše takový pozorovaný, ekonomicko-sociální jev. Zhruba každých 18 měsíců se lidem daří zdvojnásobit počet součástek na čipu, a toto tempo se daří držet vlastně od 60. let až dodneška.“

Toto zrychlování se téměř vymyká lidskému chápání. A skutečně, když se podíváme, jak výroba funguje, vidíme, že se lidské ruce čipů prakticky nedotknou. Nejsou dost přesné ani čisté.

„Nejde jen o to, abychom měli na čipu více součástek,“ vysvětlil Jakovenko. Zmenšování tranzistorů má totiž celou řadu dalších výhod. „Malé tranzistory v digitálních hradlech fungují rychleji, takže je můžeme používat při vyšších frekvencích. Takové čipy spotřebují méně energie. Proto se firmám stále vyplatí transistory zmenšovat, a tak výrobci investují do vývoje.“

„Je to vlastně krásný kolotoč: firmy, které dají peníze do vývoje, mají větší úspěch na trhu, a to jim umožňuje zase více investovat,“ komentuje Jakovenko. Ale ten kolotoč se teď trochu zadrhl a čipů se náhle nedostává. „Částečně to způsobila pandemie. Museli jsme najednou zůstat doma a začít komunikovat jinak, než jsme zvyklí,“ vypočítává. „Došlo k obrovskému nárůstu poptávky po spotřební elektronice. Lidé investovali do různých komunikačních prostředků. Na to musely navázat komunikační sítě, bylo potřeba posílit infrastrukturu, aby vydržela obrovský nápor na datové přenosy.“

„Výrobci na to nebyli připravení, a vlastně ani být nemohli. Postavit novou moderní výrobní linku na mikročipy stojí desítky miliard dolarů. A trvá to třeba dva roky. Proto ta reakce nemůže být tak rychlá.“

Abychom pochopili kontext aktuální čipové krize, musíme se podívat do fabriky, kde se čipy za přísných hygienických podmínek vyrábějí. Jejich vznik totiž v lecčems připomíná spíše trpělivé pěstování plodin než klasickou montážní linku.

Vychází to už ze samé podstaty těch ohromných čísel. Kdyby měl někdo do čipu nasázet padesát miliard tranzistorů ručně a umístění jednoho tranzistoru by trvalo sekundu, vyráběl by se takový integrovaný obvod 1 500 let. A my navíc nepotřebujeme jeden čip, potřebujeme jich miliardy. Je tedy jasné, že kdykoli je to možné, musí výrobci využívat paralelních procesů.

Ústředním, byť málo známým hrdinou této výroby je křemíkový plátek, obvykle se používá anglické slovo wafer. Má obvykle 15 až 30 cm v průměru a naskládá se na něj několik stovek čipů (tzv. kostek, anglicky dice). Tento plátek je na začátku procesu úplně čistý krystal. Vyžadována je 99,9999999% čistota materiálu, pohybujeme se tedy na nanoúrovni, kdy se počítá prakticky každý atom. Proto se také celá výroba odehrává v ultra-čistých místnostech bez prachu a plátek posouvají a manipulují robotické paže.

„Čip vzniká pomocí litografických technik,“ osvětlil nám složitý proces Jakovenko. „Postupuje se po vrstvách a využívají se různé metody, například osvit přes masku, nanášení vrstev, leptání atd. Jde obvykle o desítky nebo i stovky vrstev, a takto se zformuje celý čip.“

Nesmírně složitá struktura čipu tak vzniká odspoda vzhůru. Jakovenko to přirovnává ke stavbě města. Kdybyste měli každou budovu stavět jednu po druhé, trvalo by to staletí.

„Při postupu výroby integrovaných obvodů napřed vznikne vrstva kanalizace pro celé město. Potom celou plochu města zalijeme betonem a z vesmíru osvítíme oblasti, kde chceme ulice, tam beton ztvrdne. A ty neosvícené, nevytvrzené odstraníme. Potom všem domům postavíme jedním tahem první patra, potom všem domům druhá patra a takto postupujeme po vrstvách dále.“

Přestože se mluví o výrobní lince, proces je celkem pomalý a tempem připomíná spíše pěstování rostliny. Než projede wafer stovkami cyklů přidávání, osvěcování, leptání, naprašování a oplachování, může uběhnout i několik měsíců.

Postavit linku na výrobu polovodičových integrovaných obvodů je ohromná investice, a výroba jednoho čipu je běh na dlouhou trať. Pokud ale vše běží, jak má, pak si na sebe velmi dobře vydělá. Mohou za to právě paralelní procesy, které v jedné chvíli probíhají na mnoha waferech zároveň.

„Měsíčně může taková linka vychrlit třeba milion waferů. A na každém waferu pak můžou být stovky nebo i tisíce čipů,“ popisuje Jakovenko z Fakulty elektrotechnické ČVUT. „Obrovské počáteční investice na výstavbu a vývoj linky se tak rozpočítají do miliard vyrobených čipů. Proto mohou být jednotlivé čipy tak levné.“

Když sečteme různé typy polovodičových součástek včetně optických čipů, senzorů nebo pamětí, bylo v roce 2020 vyrobeno přes tisíc miliard (bilion) takových součástek. Připomeňme, že mnohé tyto integrované obvody přitom samy obsahují desítky miliard tranzistorů. A poptávka stále roste.

„Během následujících deseti let očekáváme nárůst výroby polovodičových čipů o 56 procent,“ předpovídá John Neuffer, prezident Semiconductor Industry Association sdružující především americké výrobce čipů.

Produkce počítačových čipů je nesmírně komplexní, jde o kombinaci poznatků z fyziky, chemie, informatiky, robotiky a v neposlední řadě také logistiky. Návrh čipu je jen jedna část, pak je potřeba navrhnout proces, jak ho vyrobit, postavit linku, která tuto výrobu zajistí a nastavit procesy tak, aby výsledkem byla konzistentní kvalita čipů, které na platech z této linky vyjedou.

Postupem času se tedy řada firem, které se dříve výrobou čipů zabývaly, rozhodla onu titěrnou a zdlouhavou práci outsourcovat, prostě ať ji udělá někdo jiný. Americké firmy Apple, IBM, AMD, ARM nebo Nvidia nevyrábějí čipy ve svých vlastních továrnách. Namísto toho si platí výrobní kapacity u firem, které se specializují právě na výrobu.

Největší takovou firmou je TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), jedna z největších tchajwanských firem, která po světě zaměstnává přes 55 tisíc lidí. Na jejích výrobních linkách vznikají například nejmodernější procesory Apple M1. Navržené v USA, vyráběné na Tchaj-wanu.

Když američtí výrobci aut v roce 2020 omezili kvůli covidové pandemii produkci aut, zrušili část svých objednávek na čipy. Výrobci podle toho upravili své linky a začali produkovat více čipů pro ostatní segmenty, které během pandemie naopak rostly. Jak už ale víme, výroba čipů je časově náročná záležitost hned z několika důvodů: dlouho trvá vyvinout, zprovoznit a otestovat výrobní linku, a několik měsíců trvá i samotná cesta waferu již hotovou linkou.

Proto čekalo v roce 2021 výrobce aut nepříjemné překvapení, i když pro kohokoli, kdo výrobu čipů dlouhodobě sleduje, to překvapení rozhodně být nemohlo. Ačkoli obnovili své objednávky, nedostali čipy, bez kterých se moderní auta neobejdou. Některé továrny se úplně zastavily, jiné omezily výrobu nebo se soustředí na své nejdražší modely, na kterých mají vyšší marže.

„Mikročipy jsou pro fungování dnešních aut naprosto klíčové, zajišťují vše od dávkování paliva v motoru přes regulaci klimatizace až po zavírání oken. Obvykle se o nich ale moc nemluví, říká Will Chu, který má na starosti komunikaci s autoprůmyslem pro amerického výrobce čipů: „Dělám tuto práci už více než deset let. A všem byly doteď čipy v podstatě lhostejné,“ směje se.

Automobilový průmysl má v USA ohromnou sílu, nejen reálnou, ale také symbolickou. Před sto lety se mladé americké firmy Ford, Chrysler a General Motors staly symbolem pro nastartovanou americkou ekonomiku. Nyní, o sto let později, jsou to automobilové firmy, které zosobňují aktuální „čipovou krizi“. Nejsou ale jedinou postiženou oblastí, jen jsou prozatím tou nejhlasitější.

Prezident Biden se v dubnu sešel se zástupci výrobců automobilů, aby je ujistil, že čipy jsou pro něj prioritou v rámci jeho snahy o obnovu americké infrastruktury: „Plátek jako tento, tyto čipy, stejně jako baterie nebo vysokorychlostní internet, to je infrastruktura. Musíme pracovat na infrastruktuře současnosti, nikoli budovat infrastrukturu minulosti.“

Bidenův plán podle účastníků schůzky zahrnuje pobídky pro stavbu továren na čipy v USA. Přestože do USA se prodá téměř polovina světové produkce čipů, vyrábí se tam totiž podle agentury Reuters jen asi 12 %. Snaha o zvýšení domácí produkce v zájmu snížení závislosti na dovozu z ciziny připomíná klasické dilema s podporou domácího zemědělství. Když je nějaká země potravinově zcela závislá na dovozu, tak v případě náhlého nedostatku jídla je vydána na milost a nemilost zemím, které jídlo pěstují.

Globální trh se postaral o efektivní koncentraci výroby čipů do malé oblasti Asie. Pandemie covidu teď USA, Evropě a dalším zemím ukázala, že být závislý na dodávkách takto důležité a všudypřítomné „suroviny“ je problém.

A stejně, jako nejde za měsíc založit nové lány polí, osít je a sklízet, nejde ani za pár měsíců rozjet novou úspěšnou výrobu čipů. Je to běh na dlouhou trať s nejistým výsledkem. Křemíkové čipy se staly zrním 21. století. Když je ho dost, jde o nejobyčejnější věc na světě. Když chybí, je nenahraditelné.