Čip nad zlato. Proč je nedostatek miniaturních součástek, bez kterých nejsou auta, telefony ani herní konzole?

Čip značky Intel

Foto: Slejven Djurakovic/Unsplash

Škoda Auto do konce roku výrazně omezí (nebo rovnou zcela zastaví) výrobu ve svých závodech v Česku, herní konzole PlayStation jsou nedostatkovým zbožím a pod stromečkem se rozbalí méně nových iPhonů, než se původně očekávalo. Důvod je přitom stále stejný. Pokračující krize spojená s nedostatkem čipů, jež způsobuje vrásky na čele řadě výrobců a stále většímu počtu jejich zákazníků.

Zatímco před rokem se široká veřejnost o čipy téměř vůbec nezajímala, dnes začíná chápat, jak významnou roli malý křemíkový polovodič ve světě elektroniky zaujímá. Může za to nedostatek různých produktů, který nám nastavuje zrcadlo a ukazuje, jak moc závislé fungování naší společnosti na spotřební elektronice ve skutečnosti je.

Dennodenně je nosíme po kapsách, usínáme s nimi a zase vstáváme, můžeme díky nim vzájemně komunikovat, přepravovat se z místa na místo, ale třeba i prát prádlo. Přesto pro většinu z nás čipy představují pouze nicneříkající cosi ukryté hluboko v útrobách zařízení, do kterých se stejně nikdy nepodíváme.

Přitom je integrovaný obvod označován za jednu z vůbec nejsložitějších a dost možná i nejúžasnějších věcí, která kdy byla lidskýma rukama stvořena. Jak pro CzechCrunch připomíná Jiří Jakovenko z katedry mikroelektroniky Fakulty elektrotechnické ČVUT, ne nadarmo byl za jeho vynález Jack Kilby v roce 2000 oceněn Nobelovou cenou.

cipy6

Jack Kilby (uprostřed) se svým týmem z Texas Instruments, kde se vývojem čipů zabýval

Foto: Wikimedia

„Porota tehdy hledala vhodný fenomén charakteristický pro nástup třetího tisíciletí, který významným způsobem přispěl a bude nadále přispívat k přelomovým technologiím, jež lidstvo používá. Komise chtěla symbolicky zdůraznit hluboce se měnící lidský svět v podobě zpracování, šíření a ukládání informací, který by nebyl možný bez pokročilých čipů,“ říká Jakovenko.

Bez Kilbyho objevu by dnešní svět zcela jistě vypadal jinak. „Přesunuli bychom se zhruba do padesátých let minulého století. To byla doba před vynálezem prvního integrovaného obvodu (čipu), jehož myšlenka byla zformována v roce 1958,“ nastiňuje podobu světa bez čipů Jakovenko.

Od cesty na měsíc k videohovorům s babičkou

Kilbyho výtvor, později zdokonalený Robertem Noycem, původně ve velkém odebírala především americká kosmická agentura NASA pro svůj program Apollo. Postupem času se však z čipu stávala stále dostupnější součástka, která začala měnit životy široké veřejnosti.

Čip nacházel uplatnění ve stále větším počtu zařízení, začal se výrazně zmenšovat, zatímco počet tranzistorů, tedy polovodičových součástek tvořících základ integrovaných obvodů, na jednom čipu s každým rokem exponenciálně narůstal. Ještě v padesátých letech minulého století jej tvořily desítky, maximálně stovky součástek, dnes jich už je na jednom čipu přibližně stěží uvěřitelných 50 miliard.

„Bez takto složitých čipů bychom neměli mobilní telefony, osobní počítače, automatizované výrobní linky, internet, digitální fotoaparáty, kamery, platební karty a tak dále. S jistou nadsázkou lze prohlásit, že čipy jsou potřeba téměř ke všemu, co dnes moderní člověk dělá a používá,“ vysvětluje Jakovenko. Co takový čip ale v zařízení vlastně dělá?

Byť se konečná funkce liší, ve všech případech zajišťuje zpracování obrovského množství informací a dat ve zlomku sekundy. „V mobilním telefonu si můžeme zjednodušeně představit tento proces tak, že pokud telefonujeme, čip zpracuje signál z mikrofonu telefonu, ten zdigitalizuje, zakóduje do vhodného zabezpečeného přenosového protokolu a vyšle k mobilnímu operátorovi, který dál signál distribuuje po různých bezdrátových a optických sítích k protějšku, s nímž hovořím,“ přidává jeden z příkladu fungování čipu Jakovenko.

Podobně čip s daty nakládá v momentě, kdy zařízení připojíme k internetu. V mnoha zařízeních má však vliv přímo na fungování mechanických částí daného produktu. Například v automobilech čipy dávkují palivo, řídí brzdné systémy, fungují na nich navigační systémy, a dokonce s jejich pomocí také stahujeme či zvedáme boční okénka.

Výroba ve vrstvách

Přestože čipy vykonávají tolik potřebných funkcí, jedná se o věc, kterou běžnými lidskými smysly můžeme vnímat jen stěží. Jak Jakovenko připomíná, na průřez lidského vlasu se vejdou až stovky tisíc tranzistorů, což je důvod, proč se velikost jednotlivých součástek vyjadřuje v nanometrech, tedy miliardtinách metru. Právě extrémní množství součástek, které se na čipech objevuje, a také jejich nanorozměry jsou důvodem, proč dnes výroba čipů nemůže probíhat jinak než ve sterilním prostředí na robotizovaných linkách.

„Výroba se realizuje pomocí velmi sofistikovaných chemicko-fyzikálních principů úpravy povrchu a objemu křemíkové, extrémně čisté monokrystalické desky a za použití speciálních depozičních technik pro tvorbu tenkých vrstev a složitého litografického procesu. Opakováním těchto procesů se postupně po vrstvách formují jednotlivé části všech elektronických součástek a propojení naráz,“ popisuje proces výroby Jakovenko.

Zjednodušeně řečeno se během tohoto procesu na křemíkovou desku (wafer) nanáší jednotlivé vrstvy čipu. Na jednom waferu přitom naráz vznikají stovky až tisíce čipů, přičemž celý proces probíhá v řádech měsíců. Výroba čipů je proto velmi náročná nejen na zdroje a technologické zázemí, ale především vyžaduje čas, jak vysvětluje i agentura Bloomberg. A to je faktor, který dnešní uspěchané době nehraje do karet.

cipy1

Jiří Jakovenko z katedry mikroelektroniky Fakulty elektrotechnické ČVUT

Foto: Archiv Jiří Jakovenko

„Výrobní proces se skládá z mnoha desítek až stovek unikátních technologických procesů, které musí být extrémně přesné. Vždyť jednotlivé vrstvy v moderních čipech jsou jen pár atomárních vrstev silné. Čip pak postupně vzniká dle své složitosti jeden až tři měsíce,“ vysvětluje Jakovenko.

Vůbec největší odběratelé čipů sídlí ve Spojených státech, přesto se přímo v USA vyrobí přibližně jen 12 procent světové produkce čipů, jak uvádí agentura Reuters. Monopol na výrobu čipů drží asijské státy v čele s tchajwanským výrobcem TSMC. Mezi jeho zákazníky patří společnosti jako AMD, Apple, Nvidia, Marvel Technology či řada světových automobilek.

Pandemické nedostatky

Tím se pomalu, ale jistě dostáváme k otázce, proč tyto společnosti musí v současné době čelit problému nedostatku čipů, ve kterém decentralizace hraje svou roli. Přestože se dle Jiřího Jakovenka pohybuje produkce čipů nad úrovní jednoho bilionu kusů ročně a na jednoho obyvatele planety tak vychází přibližně stovka čipů každý rok, tento objem aktuálně nestačí.

Poptávka v době pandemie překonala nabídku a ani Jakovenko si netroufá odhadovat, jak výrazně by musel objem produkce čipů narůst, aby byla uspokojena. Jeden přístroj totiž ve většině případů neobsahuje pouze jeden čip. Ve „vnitřnostech“ elektronických zařízení se ukrývají stovky až tisíce těchto součástek. Přitom leckdy stačí, aby jediná z nich chyběla na skladu a celé zařízení je neprodejné.

cipy9

Wafer, na který jsou vrstveny jednotlivé čipy

Foto: TSMC

Důvodem, proč se celý dodavatelský řetězec dostal do situace, kdy tyto čipy na skladech skutečně chybí, je souhra hned několika faktorů. Tím prvním – a podle Jiřího Jakovenka největším – je příchod samotné pandemie. Ta zvyšovala poptávku po spotřební, počítačové a komunikační elektronice. Lidé uvězněni doma potřebovali komunikovat s vnějším světem a jedinou možností se staly právě přístroje vybavené čipy.

Na tuto situaci někteří výrobci prozíravě zareagovali vytvářením zásob, což logicky vyústilo v situaci, kdy na pomalejší již nic nezbylo. Na nedostatek čipů pro standardní spotřební elektroniku navíc logicky zareagovali i jejich výrobci.

„Kapacita výrobních linek se přesunula zejména na výrobu čipů pro tuto spotřební elektroniku, která navíc nabídla mnohem větší marže. Lidé a firmy museli investovat do nákupu těchto zařízení ze dne na den, aby byli schopni co nejlépe udržet fungování a provoz firem. Sklady se rychle vyprázdnily a výrobní linky mají konečnou, omezenou kapacitu,“ vysvětluje Jakovenko.

Problém za problémem

Celý problém navíc prohloubily výluky jednotlivých závodů, které musely na čas omezit či zcela zastavit provoz ve jménu nařízení ze strany vlád v rámci boje proti pandemii koronaviru. Situaci navíc vůbec nenahrávala ani délka výroby čipů, a proto se jakékoliv změny v objemu výroby projevují v řádech měsíců.

Jak ovšem upozorňuje BBC, respektive oslovený expert Koray Köse, analytik společnosti Gartner zabývající se výzkumem a poradenstvím v oblasti informačních a komunikačních technologií, pandemie byla pouze poslední kapkou, jež urychlila problém, ke kterému se schylovalo už delší dobu.

Mezi další problémy vedoucí k postupnému navyšování poptávky spadá i vzestup 5G technologií, které jsou na čipech vysoce závislé. Poptávka však podle Jakovenka rostla i díky sílící kupní síle obyvatel oblastí, kde byla dříve elektronika spíše luxusem. S rostoucím kapitálem jednotlivé domácnosti v rozvojových částech světa naskakují na moderní způsob života, jenž se bez čipů neobejde.

cipy2

Sterilita je na prvním místě. Proto se musí neustále nosit ochranné obleky a roušky

Foto: TSMC

Dalším problémem je již zmíněná decentralizace výroby. Náklady na přepravu čipů, ale i dalšího zboží za poslední rok raketově vzrostly. Jak uvádí BBC, cena odeslání dvanáctimetrového lodního kontejneru z Asie do Evropy se za poslední rok navýšila více než desetinásobně. Navíc některé přístavy byly v době pandemie uzavřeny, a tak nebylo kde lodě nakládat a vykládat.

A situaci neprospěl ani požár v japonském závodu Renesas či sněhová bouře v Texasu, která v zimě odstavila výrobu čipů společností Samsung a NXP. Výčet by navíc nebyl kompletní bez restrikcí Spojených států vůči čínskému technologickému gigantu Huawei. Ten byl donucen ve větší míře směřovat své objednávky čipů na asijské výrobce a tím jejich kapacity ještě více vyčerpával.

Nehnutě stojící vozy

To všechno je souhra faktorů, kvůli kterým budou regály obchodů s výrobky obsahujícími čipy o něco prázdnější. A nejen regály. Možná nejvíce zasaženou obětí celé situace se staly automobilky. Škodovka výrazně omezila výrobu až do konce tohoto roku a rozhodně není mezi automobilovými producenty jediná. Ve Wolfsburgu, domácím závodu Volkswagenu, klesl objem produkce z důvodu nedostatku čipů na čísla z roku 1958.

Problém automobilek spočívá mimo jiné i ve špatné predikci vývoje na trhu. Se začátkem pandemie totiž automobilky předpokládaly propad prodejů, a proto začaly rušit objednávky u výrobců čipů. Ovšem predikce se nenaplnily. A byť se showroomy uzavřely, prodejci našli nové online způsoby, jak zákazníkům automobily nabídnout.

Křemíkové čipy se staly solí 21. století. Když je jí dost, jde o nejobyčejnější věc na světě. Když však chybí, je nepostradatelná pro komfortní život.“

Automobilky však už nebyly schopny obnovit své dohody s výrobci čipů, kteří je zkrátka a jednoduše již neměli na skladě. Proto výrobcům vozidel aktuálně nezbývá nic jiného než hledat dostatečně velké odstavné plochy, na nichž se štosuje jeden vůz vedle druhého v nekonečném čekání na svou čipovou kompletaci a doručení k zákazníkům.

Cesta ven?

Světlo na konci tunelu, který vede ven z aktuální čipové krize, vyhlíží celý svět. Kdy přesně přijde šance na nádech, je momentálně velmi špatně předvídatelné. „Tato situace může trvat s různými výkyvy v různých odvětvích ještě několik let,“ říká Jiří Jakovenko.

„I když mnozí světoví výrobci čipů již začali stavět nebo rozšiřovat své výrobní linky, je nutné si uvědomit, že výstavba takové linky trvá kolem dvou let a stojí řádově miliardy dolarů. Výrobní kapacity se nedají bohužel rozšířit ze dne na den a vyžadují obrovské investice,“ dodává.

Výstavba nových továren je podle něj cestou z krize ven, je ovšem nutné si uvědomit důležitost lokace jejich výstavby. Sedmdesát procent výroby čipů je stále lokalizováno v Asii. V Evropě se vyrobí méně než desetina celkové produkce. To by se však mohlo v následující dekádě změnit.

vyroba-vozu

Výroba vozů je nedostatkem čipů značně postižena

Foto: Lenny Kuhne/Unsplash

„Závislost na jiných částech světa si začínají uvědomovat i vrcholní evropští politici, a proto se již zabývají koncepty, které by mohly vést k větší nezávislosti, a plánují relativně velké investice do tohoto sektoru. V rámci programu Digitální kompas si komise vytkla ambiciózní cíle, které by měla Evropská unie splnit do roku 2030. Do té doby se má zdvojnásobit unijní podíl na globální výrobě čipů na 20 procent,“ uvádí Jakovenko ambiciózní plány pro Evropu.

Do digitální ekonomiky se má na starém kontinentu v dalších letech napumpovat 150 miliard eur, tedy téměř čtyři biliony korun. Nemusí to však stačit. „Problémem je, že mnoho předních výrobců čipů mimo Evropu plánuje ještě větší investice do rozvoje a výstavby technologických linek na čipy,“ připomíná.

„Proto se podíl evropské produkce na celosvětovém trhu nejspíše moc nezlepší, ale aspoň může zajistit nezávislost produkce čipů pro klíčový evropský průmysl. Křemíkové čipy se staly solí 21. století. Když je jí dost, jde o nejobyčejnější věc na světě. Když však chybí, je nepostradatelná pro komfortní život,“ uzavírá Jakovenko.

Fanoušek projektů Elona Muska a všeho, co dělá z budoucnosti současnost. Milovník historie, dobrého humoru, kostkovaných flanelek a soli ve vlasech.