Novináři, bloggeři i influenceři vědí, že svému publiku se musí zavděčit. Platí to i o těch technologických – možná ještě ve větší míře než obvykle. Když tedy Apple v říjnu 2020 představoval novou generaci svých mobilních telefonů, iPhone 12, jako vždy se hledala jakákoliv zajímavost. V záplavě spekulací a (ne)zaručených úniků možná trochu zaniklo, že tentokrát bylo skutečně o čem psát. Apple je skutečně široce dostupný příklad technologie, kterou v příštích letech téměř určitě oceníme všichni.
Řeč je o jádru telefonů iPhone 12, čipu A14 Bionic. Tyto mobilní čipy a brzy po nich Applem představené čipy M1 pro počítače totiž využívají extrémně malých základních „dílů“: tranzistorů o tloušťce 5 nanometrů. Taková vrstva je tlustá přesně 25 atomů křemíku. A byť jde do značné míry o marketingový název, protože neexistuje jednotná norma a velmi záleží na jejich konstrukci, je celkem jasné, že nové čipy Applu jsou začátkem větší vlny.
Jak ukazuje test za testem, nové čipy nabízejí výkony minimálně srovnatelné s konkurencí, ale s výrazně nižší spotřebou energie. Menší rozměry tranzistorů znamenají totiž nejen to, že na stejný čip jich dostanete více – a tím pádem dostanete větší výkon – ale také to, že k provádění operací s nimi je zapotřebí méně elektřiny. Rozdíl je v řádu nízkých desítek procent podle toho, které čipy se konkrétně srovnávají a při jaké činnosti. Jako průměr se uvádí hodnota nárůstu výkonu o cca 15 procent při stejné spotřebě.
Jak se to povedlo
To, že se povedlo sestoupit do rozměrů, kde už záleží už téměř na každém atomu, není rozhodně zásluha pouze Applu. Klíčovým hráčem byla především společnost ASML, kterou už před pár lety znalci označovali za „nejdůležitější technologickou firmu, o níž jste nikdy neslyšeli“. ASML je nizozemská společnost, ve které postupně zakoupily podíl všechny velké firmy v oboru výroby čipů. Podíl v ní vlastní Intel, Samsung i tchajwanská TSMC (dodavatel čipů právě pro Apple, ale zdaleka nejen pro něj).
Společnost se od svého založení v polovině 80. let věnuje výhradně jednomu jedinému oboru: fotolitografii, tedy „kreslení světlem“. Právě tak se tisknou dnešní čipy. Proces zjednodušeně řečeno probíhá tak, že se na křemíkovou „oplatku“ (wafer) soustředěným ultrafialovým světlem vykreslí obvod, který chce vyrobit.
Pro větší rozměry se tento proces podařilo zvládnout téměř dokonale. Ale přechod na tranzistory s nejmenšími rozměry v řádech nanometrů se dlouho nedařil. Hlavní důvod je jednoduché pochopit: vlnová délka používaného UV světla už je výrazně větší než rozměr součástek, jež takto chcete vyrábět. Na litografii se dlouho používala osvědčená technologie s vlnovou délkou 193 nanometrů, ale ta i přes nesmírná vylepšení prostě přestávala stačit. Byť výrobci přišli na spoustu chytrých „triků“, jak limity této technologie posunout.
To byl jeden z hlavních důvodů jisté stagnace v růstu výkonu výpočetní techniky v posledních letech. Moorův zákon sice nepřestal platit úplně – výkon stále rostl – ale růst se zpomaloval. Už neplatilo, že počet tranzistorů v čipech (a tedy výkon) se zdvojnásobuje každých 18 měsíců. Perioda se postupně prodlužovala na více než dva a půl roku.
Pomalý nástup
ASML i další výrobci se tak věnovali vývoji nové technologie fotolitografie „extrémním“ UV zářením (zkráceně EUV). Při něm se používají vlnové délky zhruba od 30 do 1 nanometru. Výhledově je tak možné vyrábět tranzistory menší než 5 nm. Dnes se už poměrně konkrétně mluví o technologii 3 nm. Ještě relativně nedávno situace tak nadějně vůbec nevypadala.
Nasazení EUV v minulosti slibovali mnozí v dobách, kdy tranzistory byly mnohonásobně větší než dnes. S EUV se počítalo podle některých odhadů již pro 45nm proces, tedy zhruba před 15 lety. Nadšení však opadalo a řada velkých firem (svého času např. IBM) nad vývojem zlomila hůl. Ještě po roce 2010 se tak v odborných kruzích poměrně čile debatovalo o tom, zda EUV litografie vůbec někdy bude k dispozici.
Především právě z ASML ovšem začaly postupně přicházet nadějné zprávy. V roce 2015 společnost ve svých výhledech uvedla, že by do roku 2020 reálně mohla prodat několik desítek svých EUV zařízení. A zhruba od konce roku 2017 to skutečně dělá.
Že byl vývoj obtížný, to znalce nijak nepřekvapilo. Práce se zářením takových vlnových délek je extrémně náročná na přesnost. Výroba čipů i dnes probíhá ve vakuu, ovšem v případě EUV musí být vakuum skutečně velmi kvalitní.
K soustředění a odrážení vznikajícího světla se využívá zrcadel s přesností, kterou téměř žádné jiné aplikace nevyžadují. ASML nemluví úplně rádo o přesných parametrech, jeho PR oddělení si tak pomáhá příměrem. Pokud by se jedno ze zrcadel zvětšilo na velikost Německa (cca 360 tisíc km2), nejvyšší výčnělek na celé této obrovské ploše by měl měřit maximálně jeden milimetr.
Přesnost přitom není jediný požadavek. Dnes lze v laboratořích dosáhnout úžasných výsledků a pracovat s jednotlivými atomy. Ale ASML vyrábí průmyslová zařízení, která musí i s cenovkou cca 120 milionů dolarů (3 mld. Kč) za kus svým majitelům vydělávat. Na přesnost náročné procesy tak v něm musí probíhat neustále a s vysokou mírou spolehlivosti a co nejmenšími odstávkami.
UV záření požadovaných délek vzniká ve stroji z plazmatu. To se vytváří z kapek rozžhaveného cínu, které silný laser změní v zářící obláček plynu. V jednom zařízení, jež vidíte na obrázku, probíhá tento proces podle ASML 50tisíckrát za sekundu.
Vzniklé světlo zachytávají zmíněná zrcadla a soustředí ho na připravenou křemíkovou plochu přes tzv. „masku“, vlastně inverzní obraz vznikajícího obvodu. Jednalo se de facto o jednoduchou konstrukci: neprůhlednou vrstvu chromu v požadovaném tvaru na skleněné podložce. Ale to pro EUV litografii použít nelze. Masky pro EUV se skládají z několika desítek vrstev křemíku a molybdenu, kterou jsou ještě překryty vrstvou sloučeniny bohaté na ruthenium a další vrstvou tantalu. Maska je tak složitá, že jedním z velkých problémů nové technologie byla její příprava, přesněji řečeno velmi vysoký podíl zmetků.
Drahota, ta drahota
Skutečnost, že novou, výrazně vylepšenou generaci čipů představil právě Apple, je ilustrativní v ještě jednom důležitém ohledu – a ten se týká ceny. EUV fotolitografie je nejen náročná, ale celkem pochopitelně také ve všech ohledech drahá.
ASML do jejího vývoje investovala doslova desetiletí práce a značné prostředky. A také počet firem, které ji mohou zakomponovat do své produkce, je velmi, velmi omezený. Na celém světě jsou v tuto chvíli pouze tři firmy, které o takovém kroku uvažují. Ještě v roce 2010 bylo pět společností, které měly ambice vyrábět novou generaci čipů. Na přelomu 20. a 21. století bylo výrobců zhruba 25. Je to naprosto pochopitelné, protože problémy, které před výrobci stojí, jsou čím dál obtížnější.
Zhruba dva roky starý odhad ekonomů z MIT uvádí, že stejné zvýšení výkonu dnes vyžaduje 13krát více prostředků než v roce 1971. Tedy pár let poté, co Gordon Moore přišel se svou slavnou předpovědí. Koncentrace do rukou několika velikých společností je tedy přirozeným důsledkem obtížnosti problému, nese v sobě ovšem reálné riziko dalšího zpomalení. Zpomalení, které by bylo dáno ani ne tak technologickými, ale ekonomickými faktory.
Nejde o žádné plané varování, něco podobného jsme mohli sledovat i v posledních letech. Před skutečně masovým nástupem mobilních telefonů s odlišnou čipovou architekturou vládl výrobě čipů jednoznačně americký Intel. Měl de facto monopol především na trhu s obchodními počítači. Jedinou konkurencí mu byla společnost AMD, jejíž procesory ale svými výkony za Intelem zřetelně zaostávaly.
Intel ovšem usnul na vavřínech. Od roku 2010 se právě kvůli nedostatku inovací především v segmentu procesorů, kterému americká firma roky vládla, nárůst výkonu hlavně u tradičních PC výrazně zpomalil. Nikdo samozřejmě nemůže stoprocentně dokázat, že to bylo v důsledku monopolizace trhu, ale tato hypotéza se jasně nabízí.
Intel se v každém případě nechal dohnat, a nakonec i předehnat konkurencí. Dnes se zpožděním připravuje rozjezd výroby tranzistorů s rozměry v řádech jednotek nanometrů. Procesory nedávno věčně druhého AMD ho však válcují ve všech testech. A rozdíl je ještě o něco málo větší při srovnání s Applem, který představením již zmíněného čipu M1 jasně ukončuje dlouholeté partnerství se svým bývalým exkluzivním dodavatelem. Monopoly svědčí zisku, pokroku méně.
