A jövő elkezdődött – minden a chipgyártásról

Napjainkban a világgazdaság talán legfontosabb csúcsterméke a mikrochip, melynek gyártása és fejlesztése nagymértékben meghatározza nemcsak egyes vállalatok, de országok és gazdasági térségek pályáját. Az MBH Bank elemzője röviden összefoglalta a chipgyártáshoz kötődő legfontosabb tudnivalókat.

Az elmúlt évtized mindennapjait jelentősen behálózta a technológia. Szinte alig találni olyan céget, amely ne említené meg, hogy működése során egyre inkább támaszkodik rá. Ritka az olyan nap, amikor ne jelenne meg tucatnyi cikk arról, hogy a gépek lassan átveszik a hatalmat (fun fact: nem fogják). Big data, digitalizáció, automatizáció, önvezetés, mesterséges intelligencia, chatbot, csak hogy néhányat említsünk.

A technológia számos hardware és software szükségességét követeli meg, az egyik fő komponens mégis kiemelt figyelmet kap: ez pedig a chip. De mégis, mi ez, honnan jön és miért olyan fontos? A következő cikk a félvezető (chipgyártás) iparág komplex világát mutatja be, de csak nagyvonalakban. Egy rövid és tömör áttekintést – semmiképpen sem „hardcore” szakmai összefoglalást – szeretnénk adni, hogy akit érdekel, könnyebben eligazodhasson ebben a komplex iparágban.

A félvezetőchip több milliárd tranzisztor egy szilícium lapkán, amely tranzisztorok össze vannak kötve bizonyos feladatok elvégzésére. A közöttük folyó, vagy éppen nem folyó elektromosság által működnek. Hogy milyen eszeveszett a fejlődés azt Moore törvénye szemlélteti. E szerint minden 18-24 hónapban a tranzisztorok száma megduplázódik, miközben a gyártási költség a felére esik. Az 1971-ben bemutatott Intel 4004-es integrált áramkörön 2300 tranzisztor foglalt helyet, ma az AMD Epyc Rome nevűjén majdnem 40 milliárd található.

A chipeket megkülönböztethetjük logikai és memória chipek szerint. Előbbire példa a CPU, azaz a „central processing unit” a processzor, amely a számítógép „agya”. Alapvetően ez végzi a különböző számítási, logikai műveleteket, ez a központi feldolgozó egység. Vagy itt van a GPU (graphics processing unit). A GPU-k alapvetően nagy számítási igényű feladatokhoz (például játékokhoz és egyéb grafikus programokhoz) készültek.

A CPU-t azonban nem lehet helyettesíteni a GPU-val, hiszen sok művelet sorosan fut, nem párhuzamosan; előbbiben a CPU, utóbbiban a GPU a nyertes. A CPU fő feladata, hogy gyorsan tudjon váltani a különböző feladatok között, nem pedig az, hogy egy adott feladatmegoldásban erős legyen. Ezzel szemben a GPU egy speciális feladatra van tervezve. (A logikai chipek persze ennél sokkal bonyolultabbak lehetnek). Aztán az utóbbi években kezdenek elterjedni az NPU, azaz a „neural processing unit”-ok, amelyek a gépi tanulást, a neurális hálók működését teszik hatékonyabbá.

A memória chipek, az eddigiekkel szemben, adatokat tárolnak. Ezek az adatok jellemzően kétfélék lehetnek: vagy csak a működés alatt szükségesek, és ahogy a hardware kikapcsolódik, törlődnek is; vagy hosszabb távon is szükség van rájuk – ezeket szintén chip-ek kezelik, például egy pendriveon.

A chipek gyártási folyamata az elmúlt évtizedekben nagyban átalakult. A 80-as évek előtt vertikális integráció jellemezte az iparágat: azaz egy adott cég megtervezte, gyártotta és értékesítette a chipjeit. Őket nevezzük IDM-nek (Integrated Device Manufacturer). Ma is léteznek ilyenek: Intel, Samsung vagy a Texas Instruments. Mára a fent felsorolt folyamatok „szétszakadtak” és más-más vállalat láthatja el azokat. Vannak olyanok, amelyek csak tervezik a chipeket, mások csak gyártják (a gyárnak, ahol előállítják őket „fab” a neve).

Például az Nvidia megtervezi a chipet, de azokat a Taiwan Semiconductor gyártja le. Utóbbi cég nem is foglalkozik chipek tervezésével. De az is egyre népszerűbb trend, hogy számos vállalat elkezdi magának megtervezni a chipjeit: a Google, Apple, Amazon, Tesla, Meta mind ezen mesterkedik. Sőt már arról is hallani, hogy a Ford is szeretne saját chipet. Ugyanakkor az Nvidia vagy az AMD előnyben vannak, hiszen olyan szabadalmakat tudhatnak a magukénak, amellyel évekkel járnak a most beugró szereplők előtt. Ilyen szabadalmak nélkül akár tíz évbe is telhet egy működő és hatékony chip megtervezése.

A chip design-olása, tervezése nem egyszerű feladat. Speciális software szükséges hozzá, amit például a Synopsys vagy a Cadence kínál. Ez egy niche piac, de ha egyre többen akarnak maguknak chipet tervezni, akkor az ilyen cégek softwareire egyre nagyobb szükség lesz. És hogy mennyire fontosak? Amikor az USA meghirdette a vámháborút Kínával szemben, illetve haza szerette volna költöztetni a chipgyártókat, akkor hirtelen a kínai gyártók bajba kerületek. Design és software nélkül tehetetlenek voltak. (Hogy ne legyen egyszerű a helyzet, ezen cégeknek is van elnevezése: EDA, azaz Electronic Design Automation).

Ahogy fent említettük, a Taiwan Semiconductor, a Samsung, a GlobalFoundries vagy az UMC chipeket gyárt, ami brutálisan tőkeigényes feladat. Új gyártóegységeket (fab, gyár) felhúzni nem olcsó mulatság, ezen cégek tőkeberuházása elérheti a bevételük 20-30%-át is. Emiatt sem sok a szereplő az iparág eme szegmensében, az első három a globális gyártás 75%-ért felel.

Oké, de mivel készítik magát a chipet? Ezeket a gépeket is le kell valakinek gyártani, ezt végzi például az ASML Holding, a Lam Research, a KLA vagy az Applied Materials. Ezen cégek által gyártott gépek, amelyeket a chipek előállításához használnak, az emberiség ipartörténetének ékkövei. Nagyjából 100 ezer darabból álló gépek, amelyek egyenként akár 150 millió dollárba is kerülhetnek. Ezek az EUV rendszerek (dual-stage extreme ultraviolet litography system), amelyek lehetővé teszik, hogy Moore törvénye ma is éljen.