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, i- Phone 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 nejspíše oceníme všichni.
Řeč je o jádru čipu A14 Bionic, který telefon využívá. Tyto mobilní čipy a brzy po nich Applem představené čipy M1 pro počítače totiž využívají extrémně malých základních „dílů“: tranzistorů s nejmenším rozměrem 5 nm, tedy cca 25 atomů křemíku. Byť jde do značné míry o marketingový název, protože neexistuje jednotná norma, znamená to, že v tomto ohledu Apple předstihl svého rivala Intel, který aktuálně pracuje se 14nm tranzistory a uvedení 7nm technologie ohlásil na rok 2022 (poté, co ze své roadmapy vyřadil 10nm technologii ohlášenou na příští rok).
Jak ukazuje test za testem, nové čipy nabízejí výkony minimálně srovnatelné s konkurencí, ale s výrazně nižší spotřebou energie. Menší rozměry tranzistorů totiž znamenají nejen to, že na čip stejné velikosti jich dostanete více – a tím pádem (zjednodušeně řečeno) dostanete větší výkon – ale také to, že k provádění operací s nimi je zapotřebí méně elektrické energie. 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 % při stejné spotřebě.
Jak se to po vedlo
To, že se povedlo sestoupit do rozměrů, kde už záleží téměř na každém atomu, není rozhodně zásluha pouze Applu. Klíčovým hráčem byla především nizozemská společnost ASML, kterou už před pár lety znalci označovali za „nejdůležitější technologickou firmu, o níž jste nikdy neslyšeli“. Ta se od svého založení v polovině 80. let věnuje výhradně jednomu jedinému oboru: fotolitografii.
Pro větší rozměry se tento proces podařilo zvládnout téměř dokonale. Ale přechod na tranzistory s nejmenšími rozměry v řádech nanometrů se dlouho nedařil. 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 nm, ale ta i přes řadu vylepšení přestávala stačit.
To byl jeden z hlavních důvodů jisté stagnace v růstu výkonu výpočetní techniky v posledních letech. Moorův zákon sice nepřestal platit úplně, ovšem 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.
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 nm. 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. Počítalo se s ním dokonce i 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, vlastně není překvapivé. V laboratořích samozřejmě lze dosáhnout i v takovýchto rozměrech úžasných výsledků a pracovat de facto s jednotlivými atomy. Ale ASML vyrábí průmyslová zařízení, která musí i s cenovkou cca 120 milionů dolarů (3 miliardy 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.
Změnit se musely některé základní a časem ověřené postupy. Ve fotolitografii se světlo na připravenou křemíkovou plochu promítá přes tzv. masku, vlastně inverzní obraz vznikajícího obvodu. Obvykle se jedná o relativně 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, jež měly ambice vyrábět další generace čipů. Na přelomu 20. a 21. století bylo výrobců zhruba 25. Cena pokroku je tak vysoká, že si žádá koncentraci zdrojů. Zhruba dva roky starý odhad ekonomů z MIT uvádí, že stejné zvýšení výkonu dnes vyžaduje 13krát více prostředků než v roce 1971.
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.
Před skutečně masovým nástupem mobilních telefonů s odlišnou čipovou architekturou vládl výrobě čipů jednoznačně americký Intel. Jedinou konkurencí mu byla společnost AMD, jejíž procesory ale svými výkony za Intelem zřetelně zaostávaly. Je nápadné, že za této situace se od roku 2010 výrazně zpomalil nárůst výkonu procesorů, především tedy v segmentu osobních počítačů, kterému americká firma roky vládla.
Dnes se Intel ovšem nechal dohnat, a nakonec i předehnat konkurencí. V rozjezdu výroby tranzistorů s rozměry v řádech jednotek nanometrů pokulhává a Apple, který mimochodem v počítačích původně sázel na do jisté míry pokrokovější RISC procesory Motorola (procesory s redukovanou instrukční sadou), ale nakonec musel s pokorou přejít na CISC procesory Intel, dnes s představením již zmíněného čipu M1 s Intelem symbolicky končí.