Szabad szemmel alig látható, mégis rá alapoztuk az életünket, mi az?
Az ember gyorsan felejt, így hajlamosak vagyunk készpénznek venni a mindennapi életünket meghatározó technológiai fejlődés eredményeit. A félvezető anyagok tulajdonságainak meghatározása és az integrált áramkörök felfedezése első hallásra nem is olyan szexi, mint a számítógép, az iPhone vagy az önvezető autó feltalálása, pedig egyik sem lett volna lehetséges az elektronikai ipar nagy mérföldkövei nélkül. Szerencsére az a hely, ahol ezeket feltalálták, nem felejt: a kaliforniai Szilícium-völgy, a technológiai innováció globális központja a nevében viseli a modern technológia alapját képező félvezető anyagot.
De mi is az, hogy félvezető? Akár okostelefonon, akár laptopon, akár egy könyvtári PC leselejtezés előtt álló LCD-monitorán olvasod ezt a cikket, jelenleg is több tucat mikrochip dolgozik azon, hogy ezt a legkényelmesebb, leggyorsabb és leghatékonyabb módon tehesd. Hogy ezek az eszközök már semmiben sem hasonlítanak a 20. század közepének nagy, hangos, forró, csövekkel zakatoló gépeihez, az annak köszönhető, hogy a mérnökök az 1950-es évekre rájöttek, hogyan lehet apró, félvezető anyagokból készült lapkákra sűríteni azokat az elektronikai alkatrészeket, amelyek nagy teljesítményű eszközök esetében korábban egy szobában is alig fértek el.
A félvezetők olyan anyagok, amelyek vezetőképessége sok nagyságrendben, kontrollálhatóan beállítható úgy, hogy a szinte tökéletes félvezető kristályszerkezetbe adalék atomokat juttatunk be. Bár a félvezetőipar fő alapanyaga a szilícium (Si), bizonyos speciális alkalmazásokhoz más félvezetőket is használnak, ilyen például a gallium-arzenid (GaAs), indium-foszfid (InP), szilícium-karbid (SiC) vagy a gallium-nitrid (GaN).
A számítógépeket, okostelefonokat, internetes szervereket, autókat, szórakoztató- és háztartási elektronikai, katonai, orvosi és biztonsági eszközöket mind-mind ilyen félvezető (jellemzően szilícium) szeletekből készült mikrochipek működtetik, amelyek egy körömnyi területen több milliárd elektromos kapcsolóval (tranzisztorral) rendelkeznek, hogy minél hatékonyabban szabályozzák az áramlást, így az eszközök minél jobban, gyorsabban és kisebb fogyasztással működjenek.
Mivel teljes modern civilizációnkat ezekre a chipekre építettük, nem árt tudni, hogyan készülnek, és milyen kihívásokkal kell szembenéznie a világnak, ha továbbra is ilyen ütemben szeretné fenntartani a technológiai fejlődését.
A szobaméretű csöves készülékektől a nanométeres szuperchipekig
A történet valahol 1947-ben kezdődik, amikor Walter Brattain, a New York-i Bell Laboratórium fizikusa egy műanyag háromszögre tekert aranyfóliát nyomott egy germániumkristályra, és megalkotta az első tranzisztort. Kutatótársaival, John Bardeennel és William Shockley-val együtt 1948-ban szabadalmaztatták az elektromos jelek erősítésére szolgáló, félvezető anyagokból készülő eszközt, amely néhány év alatt teljesen átalakította az elektronikai ipart.
Egészen addig elektroncsöveket használtak jelerősítés céljából, de azok nagy méretük és a katód fűtésének magas fogyasztása és hőtermelése miatt is elavulttá váltak, a tranzisztorokkal felszerelt készülékek pedig hamar terjedni kezdtek. Megjelentek a zsebrádiók, a tévénél már nem kellett megvárni, míg bemelegszik a rendszer, de az űrkorszak technikai hátterét is a tranzisztorok biztosították. Brattain, Bardeen és Shockley 1956-ban meg is kapta a fizikai Nobel-díjat.
„A tranzisztor szülte a digitális korszakot. Nélküle nem lenne személyi számítógépünk, CD-lejátszónk, faxgépünk és számtalan más eszközünk” – írta a Time magazin az ezredforduló környékén, amikor a huszadik század legfontosabb találmányait listázta. A leírás jól tükrözi, hogyan indította be a tranzisztor (amit a lap közvetlenül az autó, a rádió és a televízió után említett) az egyre gyorsuló technológiai fejlődést: alig húsz év telt el, de a CD-lejátszók és a faxgépek már el is tűntek a háztartásokból, mert felváltották őket újabb technikák.
Az 1950-es években a tranzisztor által kitaposott úton folytatódott a félvezető anyagok tanulmányozása, amelynek élén a dallasi Texas Intstruments (TI) kutatói álltak. Itt készült el az első szilícium tranzisztor, az első tranzisztoros rádió és az első zsebszámológép is, de talán mindennél nagyobb felfedezés volt az első integrált áramkör megalkotása. Jack Kilby 1958-ban, a TI villamosmérnökeként jött rá, hogyan lehet megoldani az egyre komplexebb és nagyobb teljesítményű gépek nagy problémáját: a helyhiányt, ami a nyomtatott áramkörök és a vezetékek halmozásából fakadt. Az áramkör elemeit (ellenállás, kondenzátor stb.) a tranzisztorokkal együtt egy germániummal bevont üveglapkán alakította ki, és megszületett az integrált áramkör, vagyis a mikrochip. Ezt fél évvel később Robert Noyce, a Fairchild fizikusa, az Intel későbbi alapítója fejlesztette tovább. A szilíciumalapú, a huzalozást a lapkára helyezett vezetékezéssel megoldó chip már tömeggyártásra is alkalmas volt.
Mivel egy rendszer számítási teljesítménye elsősorban a tranzisztorok számától és a kapcsolások sebességétől függ, az egyetlen lapra sűrített integrált áramkörök forradalmasították az elektronikai ipart, és végleg beindulhatott a korábban nagy helyigényű készülékek, például a számítógépek miniatürizálási folyamata. Minél több tranzisztort lehet hatékonyan egy chipre integrálni, annál kisebb, erősebb és kevesebbet fogyasztó eszközöket lehet gyártani. A mikrochipek komplexitásának növekedését Gordon E. Moore, az Intel egy másik alapítója 1965-ben jósolta meg: megfigyelése szerint kétévente a duplájára nőtt az egy lapkán elhelyezett tranzisztorok száma, és nem is várható, hogy ez a jövőben változni fog.
A Moore-törvénynek nevezett jelenség a mikrochipek fejlesztésével kialakuló új kapcsolási és elrendezési technikák segítségével stabilan tartotta magát, és csak a 2010-es években lassult le valamelyest, amikor már a fizika határait kezdték feszegetni a nanométeres chipek. Miközben az 1950-es években még nagy szó volt, ha négy tranzisztort sikerült egy kis szilícium darabkán elműködtetni, a legújabb iPhone processzorán már 16 milliárd tranzisztor helyezkedik el. A lapkák gyártási eljárása odáig fejlődött, hogy méretük ötven év alatt az ezredénél is kisebbre zsugorodott: míg 1971-ben 10 mikrométeres (vagyis tízezer nanométeres) volt a chipek legkisebb elemeinek mérete, ma már a 3-ról 2 nanométeres technológiára való átállást készítik elő.
Minden nap miniatűr számítógépek tucatjaival érintkezünk
Nem is kell előreszaladnunk a közeljövőben várható okosotthon-forradalomig ahhoz, hogy rájöjjünk: már egy átlagos háztartás is elképzelhetetlen lenne az elmúlt évtizedek elektronikai miniatürizálásnak köszönhető technológiai fejlődés nélkül. Vegyünk egy viszonylag tipikus reggeli rutint: felébredsz, kapásból az okostelefonodhoz nyúlsz – akár azért, hogy ébredezéshez ránézz a hírekre vagy a közösségi médiára, akár azért, hogy nyomj még egy szundit az ébresztőre.
A példa kedvéért legyen szó egy iPhone 12-ről, ami 2020-ban jelent meg. Ez az Apple A14 Bionic chipet használja, ami 5 nanométeres technológiával készült, lapkamérete 88 négyzetmilliméter, és négyzetmilliméterenként 134 millió (tehát összesen 11,8 milliárd) tranzisztort sűrítettek rá. Ez az apró chip magában foglal egy 64 bites és 6 magos processzort, 3,1 gigahertzes órajellel, 4 vagy 6 gigabájtnyi memóriát és egy 8 magos, akár 6 gigabájtos grafikai processzort (GPU), valamint elműködtet egy olyan rendszert, amely akár 256 gigabájt tárhellyel is rendelkezhet.
Hogy legyen egy kis összehasonlítási alap, és ne is nagyon menjünk vissza az ősidőkig, nézzük meg egy 2000-ben gyártott átlagos PC konfigurációját. Ekkor nagyon friss volt az Intel csúcskategóriás egymagos processzora, a 2-3 gigahertzes Pentium 4, ami kezdetben 180 nanométeres technológiával készült, lapkamérete 112 négyzetmilliméter volt, és összesen 125 millió tranzisztor volt beleépítve – ez alig több mint 1 százaléka egy iPhone 12-chip tranzisztorszámának. Egy 2000-ben készült PC jó esetben 512 megabájt memóriával és néhány tíz gigabájt tárhellyel rendelkezett, és mondjuk egy 32 megabájtos Nvidia GeForce 256 videókártyával.
Tehát miután használatba vetted a maroknyi okostelefonba sűrített szuperfejlett számítógépet, a konyhába mész reggelit készíteni, és egy rakás olyan eszközzel találkozol, amit félvezetőkre épülő chipek működtetnek. Ahhoz, hogy a hűtőgép vagy a mikrohullámú sütő automatikusan szabályozza a megfelelő hőmérsékletet, mikrokontrollereknek nevezett apró célszámítógépekre van szükség – ezek az apró, egyetlen lapkára integrált vezérlők felelnek minden kijelzős termék működéséért is, az elektromos tűzhelytől a kávéfőzőgépen át a munkahelyi kólaautomatáig.
Ha megvolt a reggeli, tegyük fel, hogy autóba ülsz – és nem is kell elektromos autóra gondolni, ha a félvezetőket keressük benne. A motor-, váltó-, légzsák- és ablakvezérlő egységek mellett az ABS, az elektromos menetstabilizáló vagy a navigációs és szórakoztató rendszerek is azokra a mikrochipekre támaszkodnak, amelyeket a motortérbe és a műszerfalba építettek. A chipek fejlődésének és a szenzorok által érzékelt, majd feldolgozott egyre nagyobb adatmennyiségnek köszönhető, hogy az autók üzemanyag-felhasználása hatékonyabbá, a különböző (pl. sáv- és távolságtartó) automatikák miatt pedig úgy általában is biztonságosabbá vált az autós közlekedés, de enélkül a dugókról vagy a balesetekről sem értesülnénk azonnal, és bluetooth-on keresztül sem tudnánk telefonról zenét játszani a kocsi hangszóróin.
Mire beérünk a képzelt irodaházba, már meg is unjuk a miniatűr számítógépekkel működő berendezések számolgatását. Kinyílik az automata bejárati ajtó, a liftben megnyomjuk a 4. emelet gombot (persze a rendszer okosan érzékeli, hogy lesz még előbb egy állomás, mert a munkatársunk a hármast is benyomta), fönt égnek a mennyezeti LED lámpák, amelyek a mikrochipek szabályozása miatt lényegesen kevesebbet fogyasztanak a régi sárga fényű izzóknál, és pörög a légkondi is – akár hűt, akár fűt éppen, a chipek gondoskodnak a rendszer hatékony áramfogyasztásáról, a beállított hőmérséklet tartása mellett.
Mivel szinte minden használati tárgyunkat mikrochipek irányítják, logikus, hogy ezeket összehangoljuk: a dolgok internete (Internet of Things, IoT) a jövő okos világának alapja, az interneten egymáshoz kapcsolódó és egymással kommunikáló eszközök és rendszerek pedig mikrovezérlőkre és szenzorokra épülnek, amelyek gyártásához egyaránt félvezetőkre van szükség.
A világ fontos történéseit a félvezetők hajtják
De természetesen nem csak otthon vagy a munkában találkozunk félvezetőkkel. Kiemelt szerepük van többek között a klímaváltozás elleni harcban is: a legnagyobb hatásfokkal működő, leginkább elterjedt napelemekben a szilícium felel azért, hogy a Nap fényéből származó energiát elektromos árammá alakítsa, míg a szélerőművek generátora által termelt áramot az úgynevezett inverterek konvertálják a hálózatnak megfelelő frekvenciára és feszültségre, valamilyen félvezető anyag (jellemzően szintén szilícium) segítségével.
A modern orvostudomány és az egyre digitalizálódó egészségügy is sokat köszönhet a mikrochipek forradalmának: a CT, az MRI és más képalkotó berendezések egyre pontosabb diagnosztikai teljesítménye vagy az egészségügyi adatokat (pulzus, fizikai aktivitás, alvási minták) mérő, elemző és tároló eszközök folyamatos fejlődése is nehezen képzelhető el a nanotechnológiai mérföldkövek nélkül, ahogy a felhőből lehívott vényköteles gyógyszerek átvételét is elfelejthetnénk nélkülük.
Hogy a háborúzásban mekkora szerepük van a félvezetőknek, azt az ukrajnai orosz invázió alatt jól láthattuk. A többek között rakétákban, drónokban vagy katonai műholdakban használt, a sugárzás és a szélsőséges hőmérsékleti viszonyok ellen is biztosított chipek nyugati importjának egy részétől már évekkel korábban elesett Oroszország a szankciók nyomán, így már májusban olyan hírek érkeztek, hogy az orosz hadseregben hűtőkből és mosógépekből származó mikrochipeket hasznosítanak újra katonai célokra. Bár Oroszország igyekszik más forrásokból pótolni a kieső chipeket, a folyamat több elemző szerint az orosz arzenál gyors leépüléséhez vezethet.
A félvezetőipar nemcsak katonai, de gazdasági szempontból is stratégiai fontossággal bír, ami az Egyesült Államok és Kína közti nagyhatalmi versenynek is központi eleme. A helyzetet csak fokozza, hogy a világ legnagyobb chipgyártó vállalata, a TSMC Tajvanon található, ami de facto független állam, de Kína saját területének tekinti, így a két nagyhatalom között egy esetleges konfliktus kirobbantására is képes, ha Kína megelégeli az amerikaiak technológiai térnyerését. Joe Biden amerikai elnök ugyanis augusztusban aláírta az amerikai félvezetőipar fellendítését szolgáló törvényt, majd októberben olyan szankciókat jelentett be, amelyek jelentősen korlátozzák Kína hozzáférését a csúcstechnológiás chipekhez és a gyártásukhoz szükséges berendezésekhez. Ezek az USA vezető politikusai szerint azért különösen fontos lépések, mert Kína egy ideje komoly erőforrásokat fektet a szuperszámítógépeinek fejlesztésébe, és 2030-ig a világ vezető mesterségesintelligencia-hatalma szeretne lenni, ám mindezt a saját állampolgárai felett gyakorolt kontroll és az átláthatatlan katonai modernizáció szolgálatába állítaná. Így az a törekvés, hogy az USA legyen a világ első számú technológiai nagyhatalma, nemcsak az innováció gazdasági hajtóerejéről, hanem a demokratikus értékek védelméről is szól.
Bár a világnak egyre több digitális eszközre, tehát egyre több mikrochipre van szüksége, azok előállításában és ellátási láncában komoly problémákat okoztak az elmúlt évek legkülönbözőbb fejleményei, az orosz-ukrán háborún és a kínai-amerikai versenyen túl is. A covidjárvány alatt – részben a távmunka és a távoktatás terjedése miatt – jelentősen megnőtt az igény a számítógépekre és más elektronikai eszközökre, miközben a chipgyártás az üzemek véges gyártási kapacitása miatt akadozott. A kriptovaluta-bányászat nagy hardverigénye miatt kevesebb félvezető eszköz maradt a piacon más felhasználásra – ennek volt köszönhető a nagy videókártya-hiány is. De a klímaváltozással fokozódó szélsőséges időjárási jelenségek is nyomot hagytak az iparban: több amerikai üzemben hóviharok okoztak tartós áramszünetet, Tajvanban a szárazság miatt kialakult vízhiány szólt bele a félvezetőszeletek zökkenőmentes gyártásába, míg Japánban és Németországban is tűzesetek hátráltatták a chipgyártáshoz szükséges alkatrészek és berendezések előállítását és szállítását.
A chiphiány a legtöbb elemző szerint fokozatosan enyhül, de az egyes iparágak között egyenetlenül – arra például 2024-ig nem érdemes számítani, hogy a félvezetők kínálata kielégíti az autóipar igényeit. A nagy jóslatokhoz egyelőre túl sok a változó: egyszerre kell figyelni az amerikai ipar fejlődésére, a kínai szankciók hatékonyságára, az orosz-ukrán háborúra, a tajvani fejleményekre, de még Hollandiára is – kevesen tudják, de itt található a legnagyobb európai techcég, a világ chipgyártáshoz szükséges litográfiai berendezéseinek 90 százalékát előállító ASML.
A félvezetőipart bemutató cikksorozatunk hátralévő két részében először a mikrochipek előállításának a fizika határait feszegető technológiáját, majd az iparág ellátási láncának geopolitikailag is pikáns helyzetét, kihívásait ismertetjük.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
