Pre ilustráciu - horné vrstvy prepojení, nanesené na čipe veľmi starého procesora 486. Kredit:  Uberpenguin, Wikipedia, CC BY-SA 2.5

Najvyspelejšie čipy (čo sú kremíkové "vnútornosti" procesorov, pamätí a ďalších vyspelých integrovaných obvodov, ktoré sú srdcom počítačov, mobilných telefónov, serverov, ale aj automobilov) sa vyrábajú technológiou, ktorá je prakticky celá vyvinutá v USA. V princípe ide o nanesenie vrstvičky tranzistorov o veľkosti dnes už desiatok atómov a ich prepojení na povrch doštičky zo superčistého kremíku. Nanášanie má niekoľko krokov, podstatné je vyleptanie štruktúry, nanesenie kovových spojov a samotné vytvorenie tranzistorov dotovaním - nanesením prímesi troj alebo päťmocných prvkov na miesta, kde majú byť ich elektródy. Všetko toto sa deje v superčistom prostredí a vysokom vákuu, pretože aj najmenšia smietka by znehodnotila štruktúry s rozmermi desiatok až stoviek atómov. Nanášanie sa vykonáva fotochemicky - kremíková platňa (wafer), pokrytá svetlocitlivou chemikáliou (fotorezistom) sa ožiari svetlom podobne, ako fotografický papier z čias čiernobielej fotografie. Ožiarený fotorezist sa dá odstrániť (proces analogický ustáleniu fotografie) a odhalený kremík na jeho mieste sa môže opracovať - leptať, dotovať, pokovovať... Hotová štruktúra sa pokryje ochrannou vrstvou, kremíková platňa sa rozreže na jednotlivé čipy a tie putujú na pripojenie vývodov, zapuzdrenie, kontrolu, ale to sa už deje v iných, nie až tak technologicky náročných závodoch. Výroba čipov, akokoľvek automatizovaná, je náročná aj na ľudskú prácu, a tak americké firmy prenášali najskôr nepodstatné, potom aj kľúčové časti výrobného procesu tam, kde je aj vysoko kvalifikovaná pracovná sila lacnejšia - do juhovýchodnej Ázie.

Fotochemický proces sa používa už od praveku integrovaných obvodov, pretože už pri umiestňovaní niekoľkých málo súčiastok na kremíkovej doštičke sa ukázalo, že ručným vytváraním ich štruktúr sa masová výroba nezrealizuje. Pôvodné šablóny s kresbami pre fotochemický proces sa vytvárali ručne aj niekoľko mesiacov a premietali sa na kremíkový čip sústavou šošoviek s použitím viditeľného svetla. Potom prevzali podstatnú časť remeselnej práce počítačové programy a roboty (takže integrované obvody si mohli navrhnúť aj firmy, ktoré ich priamo nevyrábali), optika bola čoraz náročnejšia a výrobný proces vyžadoval stále vyššiu čistotu materiálov, prostredia aj presnosť. Ako počty súčiastok na čipe rástli do miliónov a nakoniec miliárd, ich rozmery sa zmenšovali do rádu mikrometrov a nanometrov. Vlnová dĺžka viditeľného svetla sa stala príliš veľkou (fyzika neumožňuje svetlu vykresľovať čiary užšie, ako je vlnová dĺžka) a prešlo sa k používaniu ultrafialového svetla. Ale bolo zrejmé, že aj toto raz prestane stačiť a tak sa prezieraví manažéri Intelu ešte pred troma dekádami rozhodli ísť do projektu, ktorého rozsah nedovideli a cenu odhadli na stámilióny, možno miliardy dolárov - v skutočnosti bola ešte mnohonásobne vyššia. V čase tohto rozhodnutia ani nebolo isté, či sa dá uskutočniť. Jednalo sa však o takmer jedinú možnú cestu ďalšej miniaturizácie. Intel do projektu nakoniec vložil miliardy a aby sa vývoj dokončil, musela prispieť americká vláda a aj ďalšie firmy. Išlo o technológiu EUV.

Kremíkový wafer s integrovanými obvodmi. Kredit: Laura Ockel

EUV znamená "extreme ultraviolet", teda extrémne ultrafialové žiarenie, ktorého vlnová dĺžka hraničí s rentgenovým žiarením. Začínalo sa skoro od nuly. Bolo treba vyvinúť úplne nový zdroj UV žiarenia, v ktorom laser mení na plazmu prúd cínových mikrokvapiek. EUV žiarenie sa nedá zaostriť šošovkami, len sústavou superpresných zrkadiel z kremíka a molybdénu, ktoré musia byť kvalitnejšie, než tie na vesmírnom teleskope. Musel sa vyvinúť úplne nový typ reflexných fotomasiek, vyriešiť nežiadúce fyzikálne procesy, dodatočné problémy s ostrením na tak nepatrných škálach atď. Vývoj trval dvadsať rokov a podieľali sa na ňom najlepšie firmy a výskumné ústavy nielen z USA (napríklad zrkadlá vyvinula nemecká firma Zeiss).

Keď bola po 20 - ročnom vývoji technológia pripravená na komerčné využitie, stála vláda USA pred ťažkým rozhodnutím, komu ju poskytnúť. Za tie roky stratili najlepšie technologické firmy v USA, vrátane Intelu, schopnosť masovej produkcie čipov v konkurencii s výrobcami z juhovýchodnej Ázie, ktorí americké firmy porazili v obchodných vojnách vďaka štátnej podpore, lacnej pracovnej sile, ale aj nepoctivému získavaniu know-how. Okrem toho sa vyskytli prípady, kedy japonská firma predala utajované znalosti Sovietskemu Zväzu. V posledných desaťročiach sa podobnými nelegálnymi spôsobmi snažia dostať k americkému duševnému vlastníctvu hlavne čínske firmy, ktoré sú aj nepríjemne blízko Taiwanu a okrem iného, pokúšajú sa získavať pre svoje fabriky tamojších odborníkov. Špičkové stroje pre EUV litografiu, vlastne plne robotické linky na výrobu čipov, ktoré sa skladajú zo státisícov súčiastok, stoja stámilióny dolárov a vie ich obsluhovať len niekoľko zaškolených špecialistov, boli schopné v priemyselnom merítku vyrábať len dve firmy na svete: japonské Nikkon s Cannonom a pomerne malá holandská firma ASML, odčlenená od koncernu Phillips.

Inštalácia nového EUV litografického stroja v továrni Intelu. Kredit: Intel.

Voľba dosť pochopiteľne padla na lojálneho európskeho výrobcu, ktorý mal navyše vybudované väzby na tisíce subdodávateľov, vrátane firiem, ktoré sa podieľali na vývoji zariadenia. ASML dostala technológiu, vyvinutú za peniaze amerických daňových poplatníkov samozrejme s podmienkami, ktoré chránia americké záujmy, obchodné aj bezpečnostné a týkajú sa hlavne obmedzení, komu ju smie dodať.

Náskok v polovodičovej technike (a nie počet lietadiel, tankov či rakiet) kedysi umožnil USA vyhrať studenú vojnu so Sovietskym zväzom – je totiž veľký rozdiel, či na zničenie dôležitého cieľa armáda potrebuje stovky „hlúpych“ striel, alebo jednu – dve presne navádzané alebo či dokáže lokalizovať a zničiť nepriateľské ponorky s balistickými raketami. Traduje sa údajné neoficiálne priznanie sovietskeho maršala Ogarkova pred americkými novinármi, že „studená vojna sa skončila a vyhrali ste ju vy. Vojenské technológie stoja na počítačoch a v tých ste ďaleko vpredu.“ V súčasnosti je na programe použitie umelej inteligencie, ktorá by sa vysporiadala napríklad s rádioelektronickým rušením, ktoré nedávno na Ukrajine až prekvapujúco znížilo účinnosť presne navádzanej delostreleckej munície aj FPV dronov. Práve umelá inteligencia v zbraniach je odkázaná na veľmi výkonné a pritom veľmi malé čipy s rozumnou spotrebou energie a za prijateľné ceny, ktorých výrobu EUV litografia umožňuje. Aj preto je výhradné vlastníctvo tejto technológie pre USA tak dôležité.

Výrobná hala TSCM. Kredit: TSCM.

A tak dnes už nikto nevyrobí špičkový čip bez moderného litografického stroja od ASML. Vzhľadom k tisícom subdodávateľov (ktorých kvalitu si AMSL neustále kontroluje) sa k nemu ani nedajú zaobstarať komponenty. Najmodernejšie stroje dostalo niekoľko európskych a amerických firiem a potom najväčší producent vyspelých čipov na svete, preverená taiwanská megatováreň Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSCM). Túto spoločnosť kedysi založil v Číne narodený taiwanský podnikateľ Morris Chang s americkou technickou podporou. Dnes má okrem taiwanských megatovární závody aj v Japonsku, USA, Nemecku, ale aj v Číne a Singapure. Až ďalším na rade bol juhokórejský Samsung, ktorý je po TSCM ďalším v rade najväčších producentov čipov.

Najpodstatnejšia časť produkcie čipov stále vychádza z taiwanských fabrík, kde sú inštalované americko-európske technologické klenoty. Keď počas pandémie Covid-19 nastali výkyvy vo výrobe, ktorá nezodpovedala náhle zmenenému dopytu (proces výroby čipu trvá mesiace), svet sa otriasol v najväčšej polovodičovej kríze v histórii - tu si u nás pamätáme najmä pre odstavené automobilky a prechodne zdražené počítače. Produkciu však nemusí ohroziť len pandémia. Na niekoľko dní bola výroba prerušená aj po zemetraseniach (ktoré tam nie sú výnimočné) a narušiť ju môže aj nedostatok vody (už sa skoro stalo). Politikom a vojakom však spôsobujú väčšie starosti stále naliehavejšie ambície Číny získať zvrchovanosť nad Taiwanom. Obavy sa až tak netýkajú prístupu k embargovaným technológiam - špičkové stroje nestačí len získať. Okopírovať sa prakticky nedajú a bez odbornej obsluhy a vysoko špecializovaného servisu zo Západu pobežia najviac niekoľko týždňov. Ale aj niekoľko delostreleckých granátov alebo rakiet počas náhodného vojenského konfliktu môže spôsobiť rozsiahly výpadok produkcie a ďalšiu polovodičovú krízu. Hoci úmyselná vojenská intervencia je v súčasnosti stále nepravdepodobná, realitou sú dlhoročné snahy Číny získať prístup k špičkovým technológiam, medzi ktoré EUV litografia patrí. Známy je nie tak dávny pokus čínskeho výrobcu telekomunikačných zariadení Huawei získať fakticky svetový monopol na výrobu a prevádzku telekomunikačných zariadení. So štátnou podporou dokázal vytláčať z trhu európskych a amerických výrobcov a až zásahy vládnych orgánov viacerých krajín zabránili tomu, aby sa kritická americká a európska telekomunikačná infraštruktúra nestala závislou na firme pod nepriznaným, ale nesporným vplyvom čínskej vlády.

Americké integrované obvody v ruskej strele Kalibr nepatria k technologickej špičke, umelú inteligenciu nezvládnu, ale poslúžia. Je vôbec možné utesniť prieniky komerčne vyrábaných polovodičov do ruských zbraní? Kredit: REUTERS/Valentyn Ogirenko

Prípad Huawei je ukážkou, že ovládnutie časti kritickej civilnej infraštruktúry je možné aj bez prístupu k tým úplne špičkovým technológiam. Kroky USA, ktorými zamedzila Huawei prístup k dôležitým licenciam, obmedzilo jej dosah len na domáci čínsky trh. Obranný priemysel však nestojí len na komerčne, masovo vyrábaných polovodičoch (ktorých väčšinu Huawei aj tak nakupuje z Taiwanu), ale na špičkových technológiach. Tie sa Číne nedarí získať, hoci sa o to roky usiluje. Nie je jasné, nakoľko v snahe o vyvinutie EUV technológie pokročila čínska SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), založená s podporou vlády ako konkurent TSCM (stále nie príliš úspešný). Najskôr sa však táto, ale aj viacero iných firiem musí obmedziť len na zdokonaľovanie starších výrobných technológii s nižším stupňom miniaturizácie.

Dá sa snáď predpokladať, že fabrika na fotolitografické stroje ASML vo Veldhovene, hneď vedľa holandského Eindhovenu, je v bezpečí. Jednak vďaka technológii a závislosti na obrovskej sieti subdodávateľov a výskumných pracovísk po celom svete, ktorú prebrať, alebo kopírovať je nemožné, jednak vďaka polohe v Európe. Na rozdiel od závodov na Taiwane, ktoré sú na dostrel ťažkého námorného delostrelectva, o raketách ani nehovoriac. Potom nie je prekvapujúce, že TMSC plánuje, alebo už začína výstavbu nových závodov v Európe, USA a Japonsku. Ktovie, čo by na toto povedal Mark Shepherd, manažér Texas Instruments, ktorý pred 50 rokmi na Taiwane zakladal prvú továreň na polovodiče, aby tam premiestnil časť výroby. Vďaka oživenej podpore vlády USA od roku 2020 predtým trocha upadajúci Intel znova rastie, zavádza nové technológie a sotva sa dá pochybovať, že USA by nemali na svojom území kapacity na výrobu čipov pre obranný priemysel. Masová komerčná produkcia polovodičov sa však týka celého hospodárstva, a to nielen amerického. Výpadok taiwanských fabrík by nepochybne podlomil kolená priemyslu celého sveta, vrátane Číny, hoci tá sa snaží budovať vlastný polovodičový priemysel. Taiwanci sa preto spoliehajú na svoj „kremíkový štít“ - na to, že poškodiť ich fabriky nie je výhodné pre nikoho, ani pre Číňanov. Mark Shepherd by sa určite veľmi divil, kam dospeje história jeho tovární...

Video: Jak se vyrábí mikročipy

Video: Proč se svět spoléhá na stroje pro tisk čipů od společnosti ASML?

Technické podrobnosti nájdete napríklad na:

Bez evropského zlata ASML nevyrobíte… Jakub Čížek

Také TSMC už jsou nanometry příliš velké… Lukáš Václavík