A félvezetők a digitális gazdaság alapját képezik, a világ negyedik legkeresettebb termékei, csak a kőolaj, a járművek és alkatrészeik, valamint a finomított olaj előzi meg. A félvezetőpiac 1990 és 2020 között 7,5%-os átlagos éves növekedést produkált, ami meghaladta a globális GDP 5%-os növekedését ez idő alatt. A chipek közben az amerikaiak és a kínaiak közti technológiai versengés fő frontvonalává váltak, a 2021 körül kibontakozó chiphiányt pedig máig érzi a világgazdaság. Mit érdemes tudni ezekről a parányi elektronikákról, amik már szinte mindenben megtalálhatóak?
Mi is az a chip?
A chipeket szokás félvezetőknek is hívni, utalva ezzel az alapanyaguk egyik tulajdonságára és nem ritkán találkozhatunk a mikrochip elnevezéssel is, ezek mind lényegében ugyanarra a dologra vonatkoznak. A mikrochip tudományos definíció szerint egymással összekapcsolt elektronikus alkatrészek – tranzisztorok, ellenállások, kondenzátorok, diódák – halmaza, amit egy apró félvezető anyagból készült lapocskára maratnak egymásra rétegelve. Ezeket a parányi integrált áramköröket vezérlőkapcsolóként használva rábírhatjuk, hogy egy specifikus feladatot végezzen el nekünk, manipulálva a villamosság áramlását.
Ki és mikor készítette az első chipet?
1958-ban Jack Kilby a germánium alapú hibrid integrált áramkört, tőle függetlenül pedig Robert Noyce a szilikon alapú monolit integrált áramkört szabadalmaztatta. Utóbbi sokkal praktikusabbnak bizonyult, hiszen csak az volt alkalmas tömeggyártásra. A germánium csak 90 °C-ig használható, túl szűk a vezetési sávja, tízszer drágább, mint a szilikon, utóbbi ráadásul egyáltalán nem mérgező. Robert Noyce 1968-ban Gordon Earle Moore-al – akinek a Moore-törvényt köszönhetjük – megalapította az Intelt. Andrew Stephen Grove (születési nevén Gróf András István) ugyan már az alapítás napján csatlakozott, bár a cég ezt nem ismerte el. Az Intel negyedik alkalmazottja szintén egy emigráns magyar volt, Leslie L. Vadász. Az Intel 1971– ben bemutatta a világ első microprocesszorát.
A chipek alapanyagai
Vannak elemi félvezető anyagok, amelyek tiszta állapotban rendelkeznek a félvezető tulajdonságokkal, illetve léteznek szilárd oldat típusú félvezetők, továbbá néhány vegyület is mutat félvezető tulajdonságokat. A chipek zöme tulajdonképpen valamilyen vegyületből áll. Ennek fő komponense egy félvezető anyag, a másik pedig lehet egy szintén félvezető anyag vagy egy középiskolai kémia óra során már hallott kémiai elem. Viszonylag sokféle anyag nevezhető különféle mértékben félvezetőnek, de a tömeggyártás bevezetése óta a domináns alapanyag a szilícium lett, amelyet szilícium–dioxidból, gyakorlatilag a természetben előforduló kvarchomokból nyernek. Ez nem sima sivatagi homok, de ugyanúgy rengeteg áll belőle rendelkezésre. Messze a legtöbb szilíciumot Kínában állítják elő, a második helyen álló Oroszország ennek csak a tizedét termeli ki.
Hogyan készül a chip?
Az iparágban a chipek méretének a léptékét praktikusan nanométerrel (nm), a chipek mennyiségét pedig az ostyáknak nevezett munkalapok számával szokás kifejezni, annak nagyságát pedig sztenderdizált módon, hüvelykben (inch) vagy milliméterben mérjük. Az adott terméktől függően a mikrochipek teljes gyártási folyamata sok száz lépésből áll, elkészítésük átlagos ideje hozzávetőlegesen 3-4 hónap.
Az elektronikai ipar általi felhasználáshoz a szilícium–dioxidot meg kell tisztítani, amelynek eredményeképpen szilíciumkristályt kapunk. Ehhez 1900 °C–ra kell hevíteni a szilícium–dioxidot és szenet kell hozzáadni, amely tiszta (11 darab 9-es szabálya) szilikonra redukálja a vegyületet. Azonban ez a szilíciumrács lényegében szigetelő, mivel nincsenek szabad elektronok semmilyen töltésmozgáshoz. Az ún. dópolással (azaz mesterséges szennyezéssel) nagyon kis mennyiségű elektron hozzáadásával vagy eltávolításával megváltoztatják a kristályos szerkezet elektromos tulajdonságait. Hogy érezzük ennek kritikus fontosságát, a dópolt üveg vagy műanyag szinte olyannyira tudja vezetni az áramot, mint egy fém. A szennyezéshez használt anyagok eltérnek attól függően, hogy az elektronikai ipar mely feladatokra tudja a legjobban hasznosítani a félvezető dópolás által kapott új tulajdonságait. A teljesség igénye nélkül a szilíciumot szokás bórral, alumíniummal, galliummal, indiummal, foszforral, arzénnel, antimonnal, lítiummal, germániummal, arannyal vagy platinával szennyezni. Fontos megjegyeznünk, hogy bizonyos közvélekedéssel ellentétben a két szuperhatalom közti csatározásokról szóló híradásokba sokszor kerülő ritka földfémek nem képezik a mikrochipek komponenseit, bár amelyik végtermék tartalmaz chipet, abban található ritkaföldfém is.
Az olvadt szilikonból egy körülbelül 100 kg tömegű rudat öntenek, amit a lehető legvékonyabb szeletekre vágnak, ezek az ún. ostyák. Ezután az ostyák felületét a lehető legfinomabbra csiszolják és polírozzák. A fotolitográfiának nevezett eljárásra való előkészítés során a munkadarabot bevonják szilícium–dioxiddal, amire vékonyan szétterítenek egy fotoreziszt réteget. Ezt követi a folyamat legkritikusabb része, a felületet a kívánt mikroprocesszor áramköreinek tervrajzát imitáló mintázatot tartalmazó fotomaszkon keresztül speciális UV fénynek teszik ki, magát a levilágítási eljárást fotolitográfiának hívjuk. A fény átsüt a mintán és a nyalábok megkeményítik a fénynek kitett területeket, így megváltoznak a fotoreziszt kémiai jellemzői. A technológiai színvonalat leggyakrabban a fotolitográfia fejlettségével állapítják meg. A DUV (Deep Ultraviolet) technológiát a 7 nm fölötti chipek készítésére, az EUV (Newer Extreme Ultraviolet) technológiát 2 nm-ig használják, a jelenlegi legfejlettebb technológia pedig a High-NA EUV (High Numerical Aperture). Mindent megtesz az amerikai kormányzat, hogy megakadályozza Kínát az utóbbi megszerzésében. A puha területek szelektív feloldására gázt használnak, azt kémiai oldószerrel lemossák, ezt nevezzük bemarásnak. Ezután a munkalapot ionokkal bombázzák, hogy megváltoztassák a félvezető tulajdonságait, ez a dópolás, ami tulajdonképpen mesterséges szennyezés. Az ostyát lézerrel magas hőmérsékletnek teszik ki, hogy a sugárzással aktivizálják az ostyába dópolt ionokat. Az eddig felsorolt munkafolyamatokat annyiszor ismétlik meg, ahány rétegből áll a chip, ez lehet akár 100 alkalom is. Így minden lépésben összetettebb integrált áramkör jön létre. Végül az ostya felvágása előtt plazmahamvasztással újra megtisztítják a felületet. A hőelvezetős tokokba szerelés után az energiahatékonyságot, maximális frekvenciát és egyéb teljesítménymutatókat tesztelnek és aszerint osztályozzák az elkészült chipeket, ahogy sikerültek.
A végtermék osztályozása
Ahogy említettük, az ostyákban lévő kis részecskényi szennyeződések is hibákhoz vagy nem működő alkatrészekhez vezethetnek. Hogy érzékeljük az arányokat, az emberi haj vastagsága körülbelül 20–180 mikrométer, más szóval 20,000–180,000 nanométer. A legújabb, piacon elérhető processzorok mérete jelenleg mindössze 3–16 nm. Még egy apró porszem is 2000–5000 nm-es, amiből akár egy szem is tönkretenné a gyártás alatt álló munkadarabot, ebből kifolyólag a chipek teljes gyártása ún. kvalifikált tisztaterekben történik. A szilíciumkristályok egyenletlensége és a hibalehetőségek miatt a modern mikrochipek – különösen a CPU–k és GPU–k – esetében redundanciát építenek be a tervezéskor. Ez lehetővé teszi a chip egyes részeinek (szektorainak) a letiltását, amelyek szükség szerint be– vagy kikapcsolhatók. Egy működő chip, még ha lassabb is, néhány extra funkció hiánya esetén is jobb, mintha ki kellene dobni az egészet egyetlen hibás tranzisztor miatt. A gyártási folyamat végén minden ostyát külön–külön chipekre vágnak, ezeket pedig egyesével letesztelik, hogy meghatározzák, mennyire sikerültek jól. Némelyik tökéletesen működik, míg mások gyakorlatilag haszontalanok (túl sok a hibás szektor), a chipek nagyobbik része pedig e két szélsőség közé esik. Az egy ostyára jutó működő chipek százalékos aránya a hozam, amiről a vállalatok csak akkor számolnak be, ha az eredmény növeli a presztízsüket. A hozam azért fontos, mert minden előállított ostyának viszonylag fix költsége van, ami 7–10 ezer USD-t tesz ki. Összefoglalva, nincs külön gyártósora minden egyes processzortípusnak, hanem az adott architektúrán belül a legjobban sikerült chipeket a leggyorsabb, legdrágább alkatrészekként adják el. Eközben a működőképes, de nem annyira jó chipek alacsonyabb besorolású alkatrészekként kerülnek kereskedelmi forgalomba.
Az ábra itt hivatkozható: https://public.flourish.studio/visualisation/17777024/
A Moore-törvény
Gordon E. Moore még a hatvanas évek közepén állapította meg azt a tapasztalati törvényt, amire a chipfejlesztő cégek máig alapoznak, mint irányadó megfigyelés. A Moore-törvény leggyakoribb megfogalmazása szerint az integrált áramkörökben lévő tranzisztorok száma másfél évente megduplázódik. Ezt alapvetően a gyártástechnológia fejlődése teszi lehetővé azzal, hogy az említett időintervallumot figyelembe véve jelentősen csökken az egy tranzisztorra levetített normalizált költség. Moore 1975-ben átfogalmazta a törvényt, és az új megfigyelések szerint a legalacsonyabb árú komponens összetettsége már csak kétéves intervallumban nő nagyjából a kétszeresére. Mindenesetre ez az iparágra nagy hatással volt, mivel a gyártók a megfigyelésre célként tekintettek, így alapvető elvárásnak számított a növekedés prognosztizált ütemének betartása. A Moore–törvény éppen ezért önbeteljesítő jóslattá vált. Az egyre komplexebb és folyamatosan dráguló chipgyártás következtében 2014–2015-ben elértük azt, hogy az egy tranzisztorra levetített normalizált költségek nem csökkennek a kisebb csíkszélességre való átállás hatására, ami gyakorlatilag érvénytelenné teszi a Moore–törvényt.
Egy igazi globális ellátási lánc
A félvezető ellátási-lánc különböző szektorait (pl. chiptervezés, speciális gyártóberendezések, vegyszerek, utómunkálatok) oligopol és monopol piaci részesedések jellemzik. Európa mint színtér az utóbbi évtizedekben szinte el is tűnt, azonban pont a második szegmensben a holland ASML révén mégiscsak kulcsfontosságú szerepet játszik. A befejező munkafolyamat viszonylag munkaintenzív, ezért ez volt az első, amit már az 1970- es években kiszerveztek délkelet-ázsiai fejlődő országokba, de aztán megfordult a trend.
E magas fokon szakosított ellátási lánc három kulcstényezőn nyugszik. Az első tényező az, hogy a félvezetőipar mára különösen technológia– és tőkeigényes lett, valamint itt a legnagyobb a kutatás–fejlesztési ráfordítás a bevételhez képest, mintegy 15%. A multinacionális vállalatok, egyetemek és intézmények együttműködése teszi lehetővé az erőforrások összevonását a tudományos áttöréseket lehetővé tevő költséges projektek megvalósítása érdekében. A második a földrajzi specializáció, amit az iparág történetének elmúlt évtizedeiben kialakult komparatív előnyök vezéreltek. A harmadik tényező a kereskedelmi liberalizáció. A globális kereskedelmi politikák lehetővé teszik a félvezetőipar résztvevői számára, hogy árukat, berendezéseket, tőkét, szellemi tulajdont és a tehetséges munkaerőt a határokon túlra mozgathassák.
Az ábra itt hivatkozható: https://public.flourish.studio/visualisation/17763356/
A teljes értéklánc bevételeit tekintve megállapítható, hogy az USA a legfontosabb szereplő, 38%-kal, amit jórészt a kutatásban és fejlesztésben lévő magas arányú részvételének köszönhet. A világ húsz legnagyobb chiptervező cége közül tíznek a székhelye az Egyesült Államokban található, ide van bejegyezve a legfontosabb szellemi tulajdonjogok háromnegyede. Ez magyarázható a hatékony finanszírozással és az agyelszívással. Azonban a gyártást egyértelműen Ázsia uralja, ma 5-ből 4 chipet ott gyártanak le. Ha mennyiségi képet akarunk kapni, akkor minden ötödik chipet Tajvanon állítanak elő, 19%-át Dél–Koreában, 17%-át Japánban, 16%-át Kínában, 13%-át az USA–ban, 8%-át Európában és a maradék 7%-on osztozik a világ többi országa. Ezen belül majdnem minden második memóriachipet Dél–Koreában, tízből több, mint kilenc 10 nm alatti csíkszélességű logikai (pl. processzor) mikrochipet pedig Tajvanon gyártanak le, jórészt a TSMC valamelyik üzemében.
Forrás:
TASNÁDI, Zsombor: „A II. hidegháború legforróbb területe, a chipgyártás”. Budapest, 2022.
A kép forrása.
Kelet-Ázsia elemző, nemzetközi kapcsolatok szakértő. Alap- és mesterszakos tanulmányait a Pázmány Péter Katolikus Egyetemen, ill. a Budapesti Corvinus Egyetemen végezte, részképzésen volt a kínai Hangzhou Normal University-n. Fő elemzési területe a kelet- és délkelet ázsiai régió geopolitikája, a technológiai trendek, a félvezetőipar, a kínai digitális gazdaság. Szakterülete: geopolitika, Kelet-Ázsia, Délkelet-Ázsia, Kína, technológia.
