Většina lidí zná Intel jako výrobce mikroprocesorů. Možná už ale neví, že každý moderní mikroprocesor se skládá z miliard základních elektronických součástek, tranzistorů.

 

Postupem času se tranzistory zmenšovaly a zvyšoval se i jejich počet v mikroprocesoru, v souladu s tzv. Mooreovým zákonem.

 

 

Díky vysoké hustotě integrace tranzistorů na jednotce plochy dnes můžeme využívat jak počítačovou, tak telekomunikační techniku doslova v kapesním vydání. Pojďme se podívat jak na Mooreův zákon, tak na továrny Intel a jak to v nich chodí.

 

Mooreův zákon – až k molekulární úrovni

Mooreův zákon je empirické pravidlo, které před padesáti lety, v roce 1965 vyslovil spoluzakladatel firmy Intel Gordon Moore. Jeho původní znění bylo: „Počet tranzistorů, které mohou být umístěny na integrovaný obvod, se při zachování stejné ceny zhruba každých 18 měsíců zdvojnásobí.“ Jde o exponenciální růst počtu tranzistorů na jednotce plochy. Ta se časem zpomalila a nyní se jejich počet zdvojnásobuje přibližně jednou za dva roky. Nejde však jen o hustotu tranzistorů, která může být dosažena, ale také o hustotu, při které je cena tranzistoru co nejnižší. Čím více tranzistorů je totiž umístěno na čip, cena výroby dalších tranzistorů klesá, ale naopak šance, že čip nebude v důsledku vady fungovat, roste. V posledních několika letech přestal být také kladen důraz na maximální výkon za každou cenu, a neméně sledovaným parametrem se stala spotřeba.

V roce 1995 Gordon Moore v rozhovoru uvedl, že toto pravidlo nemůže fungovat v neomezeném měřítku, a že tranzistory nakonec dosáhnou limitu miniaturizace (zmenšování) na atomární úrovni.

 

Příprava výroby procesorů

Výrobci čipů nakupují základní materiál od specializovaných výrobců, kteří jim dodávají 300mm křemíkové pláty – tzv. wafery. Jsou vyrobeny z „obyčejného“ křemičitého písku. Křemík je totiž po kyslíku nejběžnějším prvkem na Zemi. Po vyčištění se z něj vyrábějí silikonové válce (říká se jim ingoty), v poslední době o průměru 300 mm, které se dále čistí do molekulární čistoty. Té se dosahuje postupným natavováním válce a tažením nečistot ve svislé poloze odspoda k hornímu konci. Představte si voskovou svíčku, okolo ní topnou spirálu jako od ponorného vařiče, která jede po její délce zdola nahoru, a jejím postupným natavováním vyplavuje nečistoty nahoru, jako když vaříte a sbíráte pěnu z polévky. Natavený křemíkový „salám“ vzápětí zase postupně tuhne. Poté se konečně řežou na 300mm pláty. Před vlastní výrobou se křemíkové pláty mechanicky testují ve vibračním boxu, aby po výrobě procesorů mechanicky vydržely jakýkoliv transport, od letadla po vlak, do dalších výrobních procesů.

 

 

Vlastní výroba

Při vlastní výrobě procesorů se na křemíkové pláty nanášejí fotolitograficky masky jednotlivých vrstev, následuje osvit, leptání, a to se mnohokrát opakuje, až se na křemíkové desce vyrobí několik desítek procesorů s několika miliony až miliardami tranzistorů. Ty vytvářejí jednotlivé klopné obvody, z nichž sestávají tzv. logické obvody. Z těch nakonec sestává už programovatelný procesor s vysokou vlastní inteligencí, kterému se po vyrobení na oplatce ještě říká die (jde o jádro procesoru bez kontaktních ploch a pod.).


Jednotlivé procesory na plátech se následně otestují, a když jsou všechny na jedné oplatce bezchybné, slaví celá továrna. Výroba je totiž tak choulostivá, že k chybám u jednotlivých procesorů na plátech prostě dochází.

 


Vysoká čistota při výrobě

Při výrobě polovodičů panuje přísná čistota. Ve Fab 24 byla 10tisíckrát vyšší, než na operačním sále. Uvnitř je vytvářen přetlak, aby se tam žádná nečistota nedostala – vše se vyfoukne ven všemi škvírami, zejména ve dveřích. Ještě ve Fab 10 chodili lidé ve skafandrech a některým výrobním operacím asistovali.

 

Jak to vypadá v továrně Intel si můžete prohlédnout na videu:


 

Do sálů s výrobou ve Fab 10 bylo vidět jediným oknem, které však bylo podle průvodce zbytečné – sloužilo pouze pro vládní delegace Irska, to „aby viděli“. Když v této továrně, tehdy ještě se submikrometrovou technologií zaznamenali vyšší chybovost, po analýze zjistili, že jde o průnik pylových zrnek na jaře v pylové sezóně. Pak zavedli pro jistotu další opatření, a sice že kuřáci si musejí po „rauchpauze“ v odpočívárně vypláchnout ústa, protože dokonce i částečky kouře mohou zvyšovat chybovost výroby polovodičů. Ve Fab 24 už žádní lidé nechodili. Vše je plně robotizováno, hlavice robotů jezdí po kolejích u stropu haly, smáčí křemíkové pláty do různých láků pro oplach, aby je opět zasouvaly k fotolitografickému osvitu, a tak pořád dokola. Jediný, koho bylo možno sem tam vidět, byli testeři přístrojů s připojenými notebooky, opět ve skafandrech.


Ještě jedna maličkost – výroba polovodičů rozděluje továrnu chodbou na dvě poloviny: „neměděnou“ a „měděnou“. Měď je totiž pro výrobu z křemíku „jedovatá“ a poničila by přechody P-N v polovodiči.

 

Rozměry pro srovnání

Lidský vlas má průřez 75-100 mikrometrů (100 000 nanometrů). Nejmenší částice, jakou může vidět lidské oko, má rozměr 50 mikrometrů. Továrna na 45nm technologii musela mít konstrukční certifikaci na 0,5 mikrometru. Šířka přechodu P-N u polovodiče s 45nm technologií je 20 nm, což je méně, než velikost bacilu chřipky (včetně té prasečí).

 

Cesta čipů k výrobcům počítačů

Po otestování jednotlivých jader se křemíkové pláty opět testují na mechanickou odolnost. Balí se do speciálního přepravního kontejneru, jehož obsah už stojí několik milionů dolarů, a odesílají se do dalšího výrobního procesu kamsi na druhý konec světa do Singapuru, kde se rozřezávají na jednotlivé procesory, dále testují, pouzdří a expedují k výrobcům počítačů.

 

Vysoké investice

Jen do výroby v irském Leixlipu, kde dnes pracuje 4 500 lidí, investoval Intel od roku 1989 přes 12,5 miliardy dolarů. „Držte nám palce, ať tuto (22nm) výrobu procesorů (Ivy Bridge) Intel opět přenese sem,“ prosila dívka, která provázela továrnou, ať padne volba na náš Leixlip.



Tehdy také zástupci Intelu uvažovali, že se do výroby 22nm technologie nepustí kvůli její nákladnosti sami, ale s více partnery; jedním z nich měl být Samsung. Už tehdy ale byl právě ten až příliš velikou konkurencí, zejména kvůli procesorům ARM, takže zakrátko do 22nm technologie investoval Intel sám – a investuje dál.


 

Nové technologie 10 nm a 3D tranzistory

V současné době je dalšímu pokroku v miniaturizaci nejblíže opět Intel, který už vyrábí 14nm technologií, a na obzoru je již i 10nm s 3D tranzistory. Intel v ní sbírá zkušenosti, aby mohl tuto technologii opět přenést dále modelem „Copy Exactly“ – přesně zkopírovat. Buď do nových továren, nebo transformuje starší na nové. Jediná země kromě Spojených států, kde se tehdy začalo vyrábět 22nm technologií, byl Izrael.

Fab 10 v Irsku už byla podle slov zástupce Intelu při prohlídce v roce 2010 netransformovatelná na novou, Fab 14 ještě ano. Samotná existence Fab 24 se 45nm technologií procesorů Intel Xeon Nehalem přitom už tehdy visela doslova na vlásku, ale Intel už měl vyvinutou dokonce 22nm technologii (alespoň na „papíře“ – spíše však na počítačích). Podle současných informací byl v Irsku úspěšně dokončen přechod na 14nm proces a výroba již začala.

die.JPG

Intel má továrny geograficky rozmístěny po celém světě pro případ jakékoliv přírodní nebo jiné katastrofy tak, aby nedošlo k ohrožení při výrobě čipů. S výrobou v nových továrnách Intel nezačne, dokud nedosáhne více náročných cílů, jako například výtěžnosti, výkonu a dalších. Poté jsou parametry nových továren sledovány a nastavovány za pochodu, všude na světě, kde se nacházejí. Bude zajímavé sledovat, kam až se posune hranice ve výrobě procesorů, jak bude vypadat jejich roadmapa a jaké další kroky v tick-tock strategii Intelu budou následovat.