Polovodičový čip

Rozbalit box

Obsah boxu

Polovodičový čip, odborně nazývaný integrovaný obvod a hovorově mikročip, je miniaturní elektronická součástka, která tvoří základní stavební kámen veškeré moderní elektroniky. Jedná se o malou destičku vyrobenou nejčastěji z monokrystalického křemíku, na které jsou pomocí složitých procesů (především fotolitografie) vytvořeny miliony až miliardy mikroskopických elektronických prvků, především tranzistorů. Tyto prvky jsou propojeny do složitých obvodů, které vykonávají logické operace, zpracovávají informace nebo uchovávají data.

Polovodičové čipy jsou v podstatě "mozky" a "paměti" digitálních zařízení, od chytrých telefonů a počítačů přes automobily a domácí spotřebiče až po sofistikované vědecké přístroje a vojenské technologie. Jejich vývoj, charakterizovaný exponenciálním růstem výkonu a zmenšováním rozměrů (jak popisuje Mooreův zákon), odstartoval digitální revoluci a formuje podobu současného světa^[1].

-

📝 Popis a princip funkce

Funkce čipu je založena na vlastnostech polovodičů, což jsou materiály, které za normálních podmínek vedou elektrický proud hůře než vodiče (např. měď), ale lépe než izolanty (např. sklo). Klíčovou vlastností polovodičů je, že jejich vodivost lze precizně řídit.

Materiál a dopování: Základem je ultračistý křemík. Jeho vodivost se cíleně mění přidáváním nepatrného množství příměsí, což je proces zvaný dopování. Přidáním prvků jako fosfor vznikne polovodič typu N (negativní, s přebytkem volných elektronů), přidáním boru vznikne polovodič typu P (pozitivní, s "dírami" po chybějících elektronech)^[2].
Tranzistor – základní spínač: Spojením oblastí typu P a N se vytváří základní stavební prvek čipu – tranzistor. Funguje jako miniaturní elektronický spínač, který může být buď v zapnutém, nebo vypnutém stavu. Těmto dvěma stavům se přiřazují logické hodnoty 1 a 0, které tvoří základ dvojkové soustavy, v níž pracují všechny počítače. Na moderních čipech jsou jich desítky miliard.
Logická hradla a obvody: Propojením několika tranzistorů vznikají logická hradla (např. AND, OR, NOT), která provádějí základní logické operace. Spojením tisíců a milionů těchto hradel vznikají složité obvody schopné provádět matematické výpočty (jako v procesorech) nebo uchovávat informace (jako v paměťových čipech).

🏭 Výroba (fotolitografie)

Výroba polovodičových čipů je jedním z nejpřesnějších a nejkomplexnějších výrobních procesů na světě. Probíhá v tzv. čistých prostorech (cleanrooms), kde je vzduch tisíckrát čistší než na operačním sále, aby se zabránilo kontaminaci jedinou částečkou prachu, která by mohla zničit celou strukturu čipu^[3].

Základní metodou je fotolitografie, kterou lze zjednodušeně popsat v několika krocích: 1. Křemíková deska (wafer): Vše začíná tenkým, dokonale vyleštěným plátkem monokrystalického křemíku, zvaným wafer. 2. Nanesení vrstev: Na wafer se nanese několik vrstev různých materiálů (izolantů, vodičů) a následně světlocitlivá vrstva zvaná fotorezist. 3. Osvit přes masku: Na fotorezist se pomocí ultrafialového (dnes často extrémně ultrafialového – EUV) záření promítne vzor budoucího obvodu přes speciální šablonu (masku). 4. Leptání: Osvětlené části fotorezistu změní své chemické vlastnosti a jsou odstraněny. Následně se odleptají i vrstvy materiálu pod nimi, které nebyly chráněny fotorezistem. 5. Opakování: Tento proces (nanesení, osvit, leptání) se opakuje desítky až stovkykrát, čímž se na waferu postupně buduje složitá trojrozměrná struktura obvodů s mnoha vrstvami. 6. Testování a řezání: Po dokončení se obvody na waferu otestují, a poté se wafer rozřeže na jednotlivé čipy (dies). 7. Pouzdření: Každý funkční čip je vložen do ochranného pouzdra s vývody (piny) pro připojení k desce plošných spojů.

📊 Typy polovodičových čipů

Čipy lze rozdělit podle jejich primární funkce:

Procesory (CPU – Central Processing Unit): Jsou "mozkem" počítače. Vykonávají instrukce a provádějí výpočty.
Paměťové čipy: Slouží k ukládání dat. Dělí se na RAM (operační paměť, dočasná) a Flash/NAND paměti (trvalé úložiště, např. v SSD discích a USB klíčích).
Grafické procesory (GPU – Graphics Processing Unit): Původně specializované na zpracování grafiky, dnes se díky své schopnosti paralelního zpracování masivně využívají i pro umělou inteligenci a vědecké výpočty.
SoC (System on a Chip): Vysoce integrované čipy, které na jedné destičce obsahují procesor, paměť, grafický čip a další komponenty. Jsou typické pro chytré telefony a tablety.
ASIC (Application-Specific Integrated Circuit): Čipy navržené na míru pro jeden jediný, specifický úkol, například pro těžbu kryptoměn.

✨ Význam a dopad

Mooreův zákon

Vývoj polovodičových čipů po dekády popisoval Mooreův zákon, empirické pozorování spoluzakladatele Intelu Gordona Moorea z roku 1965. Ten předpověděl, že počet tranzistorů v integrovaném obvodu se přibližně každé dva roky zdvojnásobí při zachování stejné ceny. Tento zákon platil s neuvěřitelnou přesností téměř 50 let a byl hnacím motorem exponenciálního růstu výpočetního výkonu^[4]. V posledních letech se však naráží na fyzikální limity a tempo se zpomaluje.

Geopolitický význam

Výroba a vývoj polovodičových čipů se staly klíčovým strategickým odvětvím s obrovským geopolitickým významem. Schopnost vyrábět nejmodernější čipy je otázkou národní bezpečnosti a ekonomické konkurenceschopnosti. Světová produkce je silně koncentrována v několika zemích, zejména na Tchaj-wanu (firma TSMC), v Jižní Koreji (Samsung) a v USA (Intel). Pandemie covidu-19 ukázala zranitelnost globálních dodavatelských řetězců a vedla k celosvětovému nedostatku čipů. V reakci na to přijaly USA (CHIPS Act) a EU (European Chips Act) masivní investiční programy na podporu domácí výroby^[5].

👶 Pro laiky

Představte si polovodičový čip jako neuvěřitelně hustě zastavěné miniaturní město.

Tranzistory jsou domy a vypínače: Každý dům v tomto městě (a jsou jich miliardy) má jeden vypínač světla. Tento vypínač může být buď zapnutý (1) nebo vypnutý (0). Právě kombinací těchto miliard zapnutých a vypnutých světel čip zpracovává všechny informace.
Propojovací vrstvy jsou silnice: Aby domy mohly komunikovat, jsou propojeny hustou sítí silnic a dálnic v několika patrech nad sebou. Těmito silnicemi proudí elektřina, která přenáší signály.
Procesor (CPU) je radnice: Je to centrum města, které dává všem domům příkazy, co mají dělat, a provádí nejdůležitější rozhodnutí.
Paměť RAM je pracovní stůl: Je to místo, kam si radnice dočasně odkládá papíry, se kterými zrovna pracuje. Když se vypne proud, vše ze stolu zmizí.
Flash paměť (SSD) je knihovna: Je to místo, kam se ukládají všechny důležité dokumenty a knihy na trvalo, i když se vypne proud.

Výroba čipu je jako pečení nejdokonalejšího a nejsložitějšího dortu na světě. Vezmete dokonale hladký "korpus" (křemíkovou desku), na něj položíte "šablonu" a "osvítíte" ji. Místa, kam světlo dopadlo, ztvrdnou. Měkké části pak "smyjete" a na volná místa nanesete novou vrstvu "krému" (jiného materiálu). Tento postup opakujete stokrát s různými šablonami, až vytvoříte neuvěřitelně složitou 3D strukturu. Celý proces musí probíhat v absolutní čistotě, protože jediný drobek (prachová částice) může celý dort zničit.

Reference

[1] Integrated circuit | Definition, History, & Facts | Britannica

[2] How do integrated circuits work? | Explain that Stuff

[3] How We Make Silicon Chips | Intel

[4] Gordon Moore and Moore's Law | Intel

[5] FACT SHEET: CHIPS and Science Act Will Lower Costs, Create Jobs, Strengthen Supply Chains, and Counter China - The White House

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]