Výrobní technologie čipů: historie a současnost

Intel již úspěšně používá 14nm výrobní technologii, která však do desktopového světa ještě nedorazila. Výrobci grafických čipů, tedy AMD a NVIDIA, si zase brousí zuby na technologie, které by nahradily již dlouhá léta používaný 28nm proces, přičemž ty jim slibují především firmy Samsung, TSMC nebo Globalfoundries. Co se týče společnosti IBM, ta byla vždy velkým inovátorem na poli výrobních technologií, ale to už je v podstatě minulost. Firma tedy i nadále bude chtít vyvíjet nové technologie, ovšem již loni v říjnu jsme se dozvěděli, že IBM prodá své továrny firmě GlobalFoundries. Stane se tedy podobně jako AMD a NVIDIA tzv. fabless firmou, která neprovozuje vlastní továrny.
Ukazuje se tak, že vývoj nových výrobních procesů a přechod na ně je finančně stále náročnější proces, který si mohou dovolit jen ty největší firmy. Mezi ně tedy patří Intel či Samsung a pak tu jsou specializované firmy živící se zakázkovou výrobou čipů - TSMC a GlobalFoundries.

Na úvod

Nejdříve se podívejme na to, jaká je dnes situace na trhu, přičemž asi netřeba zdůrazňovat, že si budeme všímat především produktů a technologií, které mají co do činění s desktopovým světem počítačů. Jinými slovy, jde o procesory typu Intel Core, AMD FX a klasická APU a pak případně i grafické čipy GeForce a Radeon. To jsou ale pouze výsledné produkty. Tématem jsou i samotné výrobní technologie, jejich vývoj a budoucnost, do níž vkládá své naděje především společnost AMD.

Pokud jde o hlavní výrobce hardwaru pro PC, čili firmy AMD, Intel a NVIDIA, má mezi nimi z hlediska výrobních technologií navrch právě Intel, i když ani v jeho případě nepostupuje vývoj tak, jak by si představoval. Intel je také jedinou z těchto firem, která vlastní své továrny, a může tak přímo ovlivnit vývoj a nástup nových výrobních procesů.

Intel se dnes chlubí 14nm procesem, který pro výrobu svých čipů využívá již zhruba půl roku. Zato AMD a NVIDIA se musí spoléhat na továrny firem jako TSMC či GlobalFoundries, pro něž je však dnes nejmodernějším a ve výrobě nasazeným výrobním procesem 28nm. Čili nejlepší čipy firem AMD a NVIDIA jsou dnes vyráběny 28nm procesem, zatímco Intel měl již před řadou let k dispozici 22nm proces, s jehož pomocí začal první čipy (Ivy Bridge) vyrábět již na konci roku 2011. Je tedy jasně patrné, jaká technologická propast zeje mezi Intelem a firmami AMD a NVIDIA a zatímco NVIDII to nemusí ani moc trápit, pro AMD jde o velmi složitou situaci.

NVIDIA totiž musí v případě desktopového hardwaru konkurovat pouze AMD, ale to ještě bojuje proti Intelu a jeho technologické převaze, což moc dobře nejde. Můžeme ale doufat, že již brzy bude náskok Intelu stažen a AMD dostane možnost vyrábět své čipy pomocí procesu, který mu umožní daleko lépe konkurovat.

Výrobní technologie: když méně je lépe

Vývoj stále pokročilejších výrobních technologií je právě to, co udržuje Moorův zákon stále v platnosti, i když můžeme polemizovat o tom, co ten má vůbec znamenat. Jisté ale je, že Moorův zákon předpovídá neustálé a víceméně stabilní zvyšování výkonu počítačových čipů, což je dané i stále se zvyšujícím počtem použitých tranzistorů. Výše mluvíme o nm, čili nanometrech, ale ještě v době před Sametovou revolucí se vyráběly čipy s využitím mikrometrových technologií.
Co ale vůbec ony mikrometry a nanometry udávají? Zažité máme, že jde o vzdálenost mezi dvěma elementy na čipu, které tvoří jeho strukturu. Typicky jde o vzdálenost mezi elektrodami source a drain, mezi nimiž sedí gate řídící tok elektronů, jak se značí v případě unipolárních tranzistorů, základní stavební jednotky procesorů. Tato vzdálenost by měla tedy v případě nejmodernější výrobní technologie Intelu činit 14 nm. Historický vývoj je následující:

• 1957 - 120 µm
• 1963 - 30 µm
• 1971 - 10 µm
• 1974 - 6 µm
• 1977 - 3 µm
• 1982 - 1,5 µm
• 1985 - 1 µm
• 1989 - 800 nm
• 1994 - 600 nm
• 1995 - 350 nm
• 1997 - 250 nm
• 1999 - 180 nm
• 2001 - 130 nm
• 2004 - 90 nm
• 2006 - 65 nm
• 2008 - 45 nm
• 2010 - 32 nm
• 2012 - 22 nm
• 2014 - 14 nm
• 2016 - 10 nm
• 2018 - 7 nm
• 2020 - 5 nm

Milníkem se stal procesor Intel 486, který byl vyroben 1mikrometrovým procesem, i když později byly procesory stejné řady vyráběny i 600nm procesem. Od té doby počítáme s nanometry a už několikrát jsme slyšeli, že výrobní procesy už nepůjde dál zmenšovat, neboť narazíme na fyzické limity dané technologie. Ovšem taková hrozba se nikdy nenaplnila a v současné době mají výrobci dobré vyhlídky dostat se na 5nm proces, a blízko je tedy další hranice, ovšem ta už pravděpodobně nebude využívat klasický stavební kámen počítačových čipů - křemík.

Díky stále pokročilejším výrobním procesům se tak daří na stejnou plochu dostat více tranzistorů, díky čemuž se můžeme těšit z vyšších výkonů. Druhou možností je vyrobit menší čip se stejným počtem tranzistorů, což činí výrobu levnější, neboť se jich na stejnou plochu vejde více. Dalším efektem je potřeba nižšího napájecího napětí, a to má zase za následek nižší spotřebu, takže efekty jsou veskrze pozitivní, ovšem vývoj nových výrobních procesů není jednoduchý a v posledních letech se stává pravidlem, že oproti původním plánů je zpožděný. Příkladem budiž Intel a jeho 14nm proces nebo TSMC a jeho 16nm FinFET.

Ovšem to nemusí být vždy na škodu. Jak ukazuje AMD a jeho nové Carrizo, i několik let stará technologie může být optimalizována tak, aby nová generace čipů byla výrazně rychlejší a/nebo úspornější. Dalším příkladem jsou GeForce GTX 900, které jsou výkonné, ale mnohem úspornější než předchozí generace.