Když se řekne výroba čipů, každému se vybaví tchajwanská fabrika TSMC. V praxi je to sice složitější – integrovaný obvod se postupně formuje v hotový komerční produkt v mnoha dalších továrnách –, ale pro jednoduchost příkladu zůstaňme u tohoto scénáře.
Takže mějme inženýra třeba z Nvidie, který v návrhovém softwaru vytvoří design nového čipu, zabalí ho do zipu, pošle e-mailem do Asie, no a za pár měsíců dorazí paleta s grafickými akcelerátory H100, které dnes pohánějí ty nejnáročnější aplikace AI včetně ChatGPT.
Akcelerátor Nvidia H100 pohání ty nejnáročnější AI úlohy dneška
Říkáme tomu fabless manufacturing a je to jeden z pilířů digitální revoluce v několika posledních dekádách. Drtivou většinu čidel, procesorů všeho druhu a dalších integrovaných obvodů totiž vyvíjejí mnohdy relativně malé firmy, které díky outsourcingu výroby nemusely investovat miliardy dolarů do vlastních továren.
K výrobě nového čipu potřebujeme tři věci
Takže tu máme:
- špičkové mozky, které vymýšlejí čipy
- a hrubou sílu, která dá čipům konečný tvar
Aby mohly být integrované obvody stále lepší, menší a energetický úspornější, hrubá síla musí výrobu neustále miniaturizovat. Potřebuje tedy stále lepší stroje, které do surového polovodičového materiálu vypálí zase o pár nanometrů užší vodivé cestičky, které pak dohromady tvoří miliony a miliony propojených tranzistorů čipu.
V nitru TSMC: Tady se to vyrábí, ale kdo dodal ty stroje?
A to se konečně dostáváme k třetímu pilíři, díky kterému dnes vůbec nějaké procesory máme: Fabrikám, které montují samotné stroje na výrobu čipů, jenž pak slouží třeba zrovna na Tchaj-wanu v závodech TSMC.
Bez Nizozemska nevyrobíte žádný next-gen čip
Zatímco TSMC je jedním z lídrů hrubé síly, srdce Evropana zahřeje zjištění, že hegemonem na poli strojů pro ty nejdrobnější výrobní procesy je zase nizozemský holding ASML.
Ještě relativně nedávno o něm věděla spíše jen odborná komunita, jiskření mezi Západem a Čínou v posledních letech nicméně dostalo ASML na titulní stránky (nejen) technologických médií.
Naposledy třeba kvůli podezření z průmyslovou špionáže a zákazu exportu strojů do Číny. A není divu, ASML je totiž prvním výrobcem na světě, kterému se před lety podařilo komercializovat technologii EUVL (Extreme UltraViolet Litography).
Co je to fotolitografie
Co to vlastně je to EUVL? Nejprve si ve vší jednoduchosti vysvětlíme, jak se vlastně vyrábí čip. Nejrozšířenější technikou je fotolitografie, pomocí které na tenkou polovodičovou oplatku (wafer) naneseme různé chemické vrstvy a vše završíme povlakem tzv. fotorezistu. Ten je už podle svého názvu fotocitlivý, takže dopadající světlo mění jeho chemické parametry.
Sendvičový kompozit připravený pro fotolitografii
Pokud bychom chtěli do takové oplatky vypálit třeba slovo ŽIVĚ, vezmeme čtvrtku papíru, nůžkami v něm vystřihneme znaky Ž, I, V, Ě a položíme ji na wafer. Když poté na sendvič posvítíme lampičkou, světlo projde otvory písmen, fotony zasáhnou odkrytý fotorezist a pozmění jeho vlastnosti takovým způsobem, že tyto ozářené oblasti budeme moci později nějakým způsobem odstranit.
Světlo projde otvory v masce a dopadne na fotorezist, který chemicky pozmění (fialově)
Kdyby byl ozářený fotorezist rozpustný třeba ve vodě (tzv. vlhké leptání – wet etching), ponoříme wafer na pár hodin do rybníka a druhý den ráno v něm najdeme chemicky vyrytý nápis ŽIVĚ. Kdyby naopak reagoval třeba na plazmu (tzv. suché leptání – dry etching), zvolíme sofistikovanější metodu.
Čipy tesáme jako sochy z kamene, ale světlem
Výroba čipů je pochopitelně poněkud choulostivější, rybníky se proto nepoužívají a současným technologiím už dávno vládně suché leptání. Jako světlený zdroj se dnes používá ultrafialové záření a i maska je poněkud sofistikovanější.
Odstranili jsme ozářený fotorezist
Podle typu fotorezistu se na waferu po ozáření a očištění objeví negativ, či pozitiv předlohy, který odhalí substrátové vrstvy pod svrchní fotocitlivou složkou.
Odhalené spodní vrstvy vyleptáme
Leptáním pomocí plazmy poté narušíme tyto obnažené spodní vrstvy a konečně v nich vydolujeme mikroskopická údolí, která oddělí jednotlivé vodivé cestičky mikroskopických obvodů.
Tramtadadá, máme wafer s chemicky vytesanými obvody – die
V poslední fázi se zbavíme zbytku svrchního fotorezistu a máme před sebou wafer s vypálenými a vyleptanými obvody čipů (říkáme tomu die), které se pak nařežou, zapouzdří do ochranné hmoty, instalují na desky s kontakty a dalšími pomocnými elektrickými obvody a máme finální produkt.
Ten dělá to a ten zas tohle
Právě tyto další etapy se často provádějí zase někde jinde, takže výroba kdejakého procesoru je zpravidla výsostně globální – geograficky silně decentralizovaný – proces.
Vyleptaný obvod na waferu je začátek, takhle přece procesor ve vašem laptopu nevypadá
Během pandemie covidu narušily celý proces třeba problémy v Malajsii, která se specializuje na testování a již zmíněné zapouzdřování, no a mnohé automobilky včetně Škoda Auto musely na nějaký čas pozastavit výrobu.
2nm výrobní proces je (hlavně) marketing
Fotolitografických technik je celá řada a je to extrémně komplexní záležitost, jedním ze základních principů je nicméně to, že o velikosti jednotlivých vodivých cestiček rozhoduje vlnová délka ozařovacího paprsku.
Poloprůhledná maska pro fotolitografii. Pro současné nejdrobnější výrobní procesy integrovaných obvodů už ale zdaleka nestačí
Analogicky řečeno, pokud budete chtít z kusu hliníku vyfrézovat v co nejvyšším detailu maličkého mopse s rozměry 10×10 mm, budete potřebovat mnohem drobnější vrták, než když bude mít nebohé psisko rozměry 100×100 mm.
Šířka a rozteč vodivých cestiček na čipech vyráběných tou nejmenší současnou metodou se nicméně počítají na desítky nanometrů! Počkat, desítky? Vždyť se přece všude píše o 10nm, 5nm nebo třeba 2nm výrobní technologii. Neměly by se tedy v takovém případě počítat rozměry na jednotky nanometrů?
V ideálním světě asi ano, zhruba někdy od poloviny 90. let je ale označení výrobního procesu hlavně marketingové zjednodušení, kterým Intel, Samsung, TSMC a další vyjadřují technologický skok vpřed. A zpravidla každý po svém a dle vlastních interních pravidel. U 5nm procesu se tak nejmenší rozteč pohybuje ve skutečnosti okolo 30 nm, u 2nm okolo 20 nm a u 1nm někde okolo 15 nm.
Ještě v 80. letech to bylo nedostižné sci-fi
V každém případě platí, že v tomto už horko těžko uvěřitelném měřítku přestávají fungovat dosavadní způsoby fotolitografie. Potřebujeme totiž světlo s extrémně malou vlnovou délkou, na které ale zároveň ještě reaguje nějaký ten fotorezist.
Čím kratší vlnová délka, tím drobnější struktury dokážeme ozářit. Od určité úrovně už ale nemůžeme použít poloprůhledné masky, protože pohltí i světlo, které mají propustit
A tak se vědci už před desítkami let začali věnovat již zmíněnému EUV na pomezí ultrafialového a rentgenového záření. Pro EUV litografii se dnes používá vlnová délka zhruba 13,5 nm, nicméně ještě v 80. letech minulého století byla sama technologie čiré science fiction.
Vývoj EUVL zaplatil americký daňový poplatník
Pak ale dalo pár vědců z Bell Labs hlavy dohromady a v roce 1991 publikovali článek, že by to možná šlo. Tedy, půjde to, pokud to někdo zaplatí.
Podobný primární výzkum se zpravidla platí ze státního eráru a USA nejsou výjimkou. Mají na to už desítky let dotační systém CRADA (Cooperative Research & Development Agreements) pro financování společných projektů mezi soukromým sektorem a federálními institucemi.
Do vývoje se proto zapojily věhlasné národní laboratoře Lawrence Livermore a Sandia a v následující dekádě společně vypiplaly technologii k použitelnému stavu.
Komu dáme licenci? No, Japonsku fakt ne!
V posledním kroku ji musel konečně někdo proměnit v praktický stroj, no a to se už na scéně konečně objevuje expert na fotolitografii ASML, který díky několika akvizicím v USA a prosté geopolitice získal od Kongresu razítko k výrobě.
Proč zrovna od Kongresu? Jak jsme si už vysvětlili výše, vývoj z velké míry zaplatil americký daňový poplatník, bylo tedy na Washingtonu, komu dá zelenou. A protože zpočátku nechtěl předat citlivé know-how tehdy velmi dravé konkurenci z Asie, nakonec z toho vytěžila maximum právě Evropa a nizozemský holding z Veldhovenu.
Na těchto mašinkách se dnes vyrábí ty nejpokročilejší čipy
Jeho inženýři ve spolupráci s hromadou dalších laboratoří z obou stran Atlantiku postupně vyvinuli nejpopulárnější EUVL mašinu pro masový 5nm a 3nm výrobní proces Twinscan NXE:3600D.
Stoosmdesátitunový drobek přišel v roce 2022 dobrých 200 milionů dolarů a k témuž datu ASML prodala 140 kusů. Jeho nástupcem je Twinscan EXE:5000, který zvládne i 2nm výrobní proces.
Na těchto mašinkách se budou vyrábět ty nejpokročilejší čipy zítřka. Pokud máte bohatého strýčka a dost místa v dílně, zavolejte do Veldhovenu
Suma sumárum, pokud se přesuneme do současnosti, není divu, že mají USA dostatek pák k tomu, aby Nizozemsku důrazně vysvětlily, které systémy nemá tamní fabrika posílat do Číny. Holding je sice vyrobil, základní know-how je ale americké.
Namísto čoček zrcadla ve vysokém vakuu
A je to know-how věru přelomové, EUV totiž není prostě jen další UV s ještě kratší vlnovou délkou. Inženýři museli bojovat s hromadou výzev včetně toho, jak vyrobit samotnou masku. Ta už totiž nemůže být ze skla jako u starší a jednodušší fotolitografie, protože takový materiál EUV utlumí a záření by masku neprosvítilo.
Namísto polopropustné masky se v případě EUVL používá soustava zrcadel a reflexní maska
Aby toho nebylo málo, extrémní ultrafialové záření pohltí i běžná atmosféra, fotolitografický proces v nitru Twinscan NXE:3600D a dalších strojů proto probíhá nejen za naprosté čistoty, ale hlavně v co nejdokonalejším vakuu.
Namísto poloprůhledných masek ze skla se ze stejného důvodu používají reflexní masky se soustavou zrcadel, které navrhlo někdejší americké výzkumné konsorcium Sematech ve spolupráci s Carl Zeiss. Paprsky EUV se jednoduše odrážejí od fotolitografické předlohy čipu, který se má vyrobit, no a podle toho, jestli se zrovna jednalo o prohlubeň, tak i paprsek získá ty správné parametry k popálení fotorezistu na waferu.
Paprsek EUV se odrazí od předlohy a zasáhne wafer s footorezistem. Předloha proto musí být neuvěřitelně dokonalá a v komoře musí být co nejlepší vakuum
Aby to fungovalo, musí být ale plastická předloha neuvěřitelně čistá. Jakákoliv nerovnost na úrovni nanometrů může způsobit špatnou projekci na wafer a ve výsledku znehodnotit všechny následující procesy, které jsme si zjednodušeně ukázali na schématech výše.
Z fabrik TSMC by pak vyjely palety plné waferů, na kterých by byly fotolitografií vyfrézované grafické akcelerátory H100, jenž by ale v lepším případě leda tak zkratovaly vše ostatní.
Pečlivě střežené evropské zlato
Je tedy opravdu zázrakem vědy a inženýringu, že to vůbec funguje a Sematech se tomu stručně věnoval i ve své třiatřicetistránkové prezentaci (PDF). Sice je už staršího data (konsorcium se v mezidobí fakticky rozpadlo), nicméně stále platná.
Centrála ASML Holding N.V. v nizozemském Veldhovenu
ASML je evropské zlato s americkým know-how, které svoji výrobní technologii chrání lépe než většina bank své trezory, a zároveň zajišťuje starému kontinentu jistý punc nedotknutelnosti. Tedy alespoň do té chvíle, než se se stejnou technologií a ve velkém prosadí i Asie.