Cesta procesoru: písek, gigantický krystal a vědecká práce

Traduje se, že lidstvo nikdy nevynalezlo nic složitějšího, než je počítačový procesor. Samotný procesor je ale jen odrazem toho, jak náročná je na přesnost a dokonalé podmínky jeho výroba. V článku se společně podíváme na to, proč existuje na celém světě pouze pár výrobců procesorů, proč je jejich výroba tak náročná a jak by mohla v budoucnu výrobě prospět expanze do vesmíru.

O čem se dočtete v článku:

• Když se z písku stává krystal

• Když se z krystalu stává procesor

• Když se z písku nevyrábí počítač snadno

• Vesmír nám může pomoci

Srovnání nejlepších notebooků

Prohlédnout produkty

Srovnání nejlepších mobilů

Prohlédnout produkty

Srovnání nejlepších tabletů

Prohlédnout produkty

Srovnání nejlepších konzolí

Prohlédnout produkty

Srovnání nejlepších procesorů

Prohlédnout produkty

Recenze nejlepších grafických karet

Prohlédnout produkty

Když se z písku stává krystal

Pokud půjdeme úplně k základům, procesor je velice komplexní polovodičová součástka. Na bázi elektrického proudu mění její buňky (tranzistory) svůj elektrický náboj a tím definují, jestli znamenají jedničku nebo nulu. Tento základní “kód” pak stojí za prohlížečem, hrami, e-mailem i vším ostatním, k čemu počítač využíváte.

Křemíkový ingot (Zdroj: Intel Free Press)

Procesory se vyrábí z křemíku. Pro výrobu jsou používané křemíkové ingoty, které výrobci získávají slínáním křemičitého písku. Můžete si to představit obdobně, jako tavení písku a lití skla. Celý proces je ale podstatně sofistikovanější a musí využívat chráněnou atmosféru a přesně řízenou sérii kroků, aby ingot při krystalizaci s ničím nereagoval. Výsledkem je vždy monokrystalický křemík. Tento jeden krystal má běžně průměr 400 mm a délku až 2 metry. Jedná se přitom o jediný a téměř bezvadný krystal. Čistota materiálu je po skončení procesu minimálně 99,9999 %.

Když se z krystalu stává procesor

Ingot se ve specializovaných přístrojích řeže na velice tenké kruhové desky o průměru oněch 400 mm. Tloušťka jedné destičky, odborně nazývané “waffer”, se pohybuje okolo 0,1-0,5 mm a na každou destičku se vejdou stovky až tisíce budoucích čipů (grafických karet méně, procesorů více). Každý plát se v sérii kroků leští a upravuje technologiemi, které jsou už ale přísně tajné. Tajné jsou přitom natolik, že nikdo mimo nejvýše postavených zaměstnanců ve výrobních firmách je nezná.

Nařezané Waffery (Zdroj: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.)

Po vyleštění se rozličnými technologiemi procesory na desku vypálí (EUV technologie a další). O složitosti procesu ostatně svědčí to, jak malé tranzistory na každém procesoru jsou. Atom křemíku má velikost 0,2 nanometru. Jestliže pracují výrobci s technologiemi s označením 5 nm, znamená to, že skutečně staví procesory na úrovni atomů.

Waffery s nanesenými procesory (Zdroj: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.)

Dalším krokem je verifikace vzorků na wafferu (hledají se kazy a poškození), označení vadných kusů a řezání budoucích procesorů. Následuje další testování a upravování, napojení křemíku na substrát a propojení pinů. Procesory se poté zapouzdří a vybaví plechovým plíškem, na kterém už uvidíte značku výrobce a základní identifikační údaje.

To, co my jsme sepsali do několika odstavců se ve skutečnosti sestává z více než stovky dílčích úkonů a trvá celé měsíce. Možná jste se někdy před koupí procesoru pozastavili nad tím, kolik takový malý “čtvereček” stojí. Vězte ale, že je výroba zdlouhavá a velice nákladná.

Zajímavost: Nenechte se zmást výrobními procesy. Samotné označení “5 nm” či “7 nm” moc nevypovídá o reálných výsledcích. Kupříkladu TSMC (AMD, Apple, Qualcomm a další) umístí při 5 nanometrovém procesu na milimetr čtvereční čipu něco kolem 170 tranzistorů. Intel přitom při svém procesu Intel 7 na stejnou plochu dokáže dostat 200-250 tranzistorů.

Když se z písku nevyrábí počítač snadno

Pokud byste chtěli začít vyrábět procesory, budete potřebovat továrnu postavenou na geologicky extrémně stabilním podloží s naprosto minimální seismickou aktivitou. Při práci na produktech o velikosti atomů totiž i ten nejmenší otřes může vše co zrovna vyrábíte zničit. Další důležitou podmínkou bude politická situace v regionu. Stavíte podnik s náklady ve výši stovek miliard korun a chcete, aby byla výroba stabilní a v bezpečí.

Továrna TSMC, světlo musí být žluté, aby nenarušilo výrobní proces (Zdroj: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.)

Pracovníci se pohybují ve žlutě osvětleném prostředí (Zdroj: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.)

Výroba je natolik citlivá na chyby, že je v náročnějších zónách továrny podtlak a pracovníci se pohybují ve pracovním bílém oděvu, aby nezanesli stroje ani smítko prachu navíc. Také musíte zajistit stabilní dodávky čistých surovin i sérii subdodavatelů, protože vyrábět si vše od píky sami není ekonomicky únosné. Zajímat se musíte i o možnost náboru kvalifikovaných pracovníků. Součástí výroby je totiž nezbytný vývoj budoucích generací. Jedná se o činnost, na které se podílí typicky ti nejchytřejší lidé na světě.

Když si tyto základní parametry sečtete, vyjde vám, že založit další továrnu je nejen velice drahé, ale těžko proveditelné. Pokud by si chtěly založit vlastní výrobu firmy jako Apple, BMW či třeba Tesla, sice by toho jistě byli schopní, ale náklady by byly pro investory téměř jistě neúnosné. Celý proces by také trval přinejmenším několik let a výsledek je s ohledem na složitost technologie nejistý.

Kdo vyrábí procesory

Na světě máme jen tři velké výrobce procesorů. Tím největším je TSMC, které má své továrny na Taiwanu a v Číně. TSMC vyrábí procesory pro naprostou většinu značek, které znáte. Není pravdou, že by Apple, AMD, Nvidia či Qualcomm vyráběli vlastní modely procesorů či grafických karet, i když si tito prodejci často přejí, aby si to zákazníci mysleli. V jejich režii je pouze samotný vývoj toho, jak má procesor fungovat (nesnižujeme důležitost).

Druhým největším výrobcem je Intel, který se ovšem při svých současných plánech chce časem stát tím největším producentem a TSMC odvábit zákazníky. Intel totiž zavádí kromě vlastní výroby také zprostředkovanou (obdobně jako TSMC) a jedním z prvních velkých zákazníků by mohla být druhá největší značka mobilních procesorů, společnost MediaTek. Na videu níže se můžete podívat na Linusovu (LTT Media) exkurzi v továrně Intelu.

Posledním ve velké trojce je Samsung, jehož podíl na trhu je ovšem ve srovnání s prvními dvěma téměř zanedbatelný. Jihokorejský gigant vyrábí procesory pro své mobilní telefony a zprostředkovává výrobu i pro konkurenční firmy.

Zajímavost: I když se může zdát, že se jedná o tvrdé rivaly, není výjimkou, že si s výrobou vzájemně vypomáhají – samozřejmě za účelem zisku.

Vesmír nám může pomoci

Může to znít jako idea ze Sci-fi a v současnosti se o lehké fantazírování rozhodně jedná, je ovšem známým faktem, že se do budoucna možnosti výroby procesorů ve volném prostoru vesmíru zvažují.

Jaké výhody vesmír nabízí?

• Ve vesmíru nemají vliv seismické otřesy

• Výrobu neohrožují atmosférické vlivy

• Z výroby není potřeba eliminovat nečistoty

Ve vesmíru totiž neexistují právě ty nepříznivé vlivy, které výrobu ovlivňují na zemi. Součástí výroby je navíc také ochrana proti prachu a v některých fázích také chlazení na teploty hluboko pod bodem mrazu. Ve vesmíru ale nic chladit nepotřebujete a prach by se vám do továrny dostal jen těžko. Ve vzdálené budoucnosti tak možná uvidíme na orbitě továrny, které budeme zásobovat materiálem a na kterých budou roboti zajišťovat levně výrobu.