Proč jsou čipy tak důležité a jak se stalo, že se potýkáme s jejich nedostatkem a že jsou silovým tématem, které hýbe mezinárodními vztahy?

Tomáš Pitner je předním českým odborníkem na počítačové systémy a kyberbezpečnost. Jako šéf Centra vzdělávání, výzkumu a inovací v informačních a komunikačních technologiích se účastní výzkumných projektů v oblasti vývoje polovodičů a zahraničních misí mimo jiné na Taiwan, kde se domlouvá průmyslová i výzkumná spolupráce.

„Naposledy jsme tam zažili jeden moment, který hodně ilustruje. Pří prohlídce jejich prostor kolega říká, že máme doma stejné vybavení, ale že jeho technici tvrdí, že doma v Brně, v klidné oblasti mimo jakýkoliv ruch, nejde vyrábět lepší než 40nanometrovou technologií. Přitom na Taiwanu v seizmicky aktivní oblasti a ve druhém patře budovy nám ukázali, jak jim výroba funguje na 16nanometrové (zmenšování součástek uvnitř počítačových čipů je hlavní hnací motor zvyšování jejich výkonu a snižování spotřeby, pozn. red.). Jejich zkušenost a hlavně ochota posunovat vývoj v tom všem hraje obrovskou roli. Vždyť oni přebudovali místa, kde byl dříve jen prales, hory a moře!“ poodkrývá zákulisí úspěchu asijských výrobců Pitner.

V jaké fázi teď jako Česko nebo Evropa s čipy jsme?

Už trochu panikaříme, protože jsme si uvědomili, jak málo stačí, abychom je neměli, a tím pádem nemohli fungovat. A zároveň víme, že do budoucna jich budeme potřebovat násobně víc, ale na jejich výrobu nemáme v Evropě kapacity. Vždyť je to jen pár měsíců, kdy nebylo kvůli nedostatku polovodičů ani možné koupit si auto. Jsme závislí na asijské výrobě, přičemž část problému je, že Evropa si dala takové udržitelné cíle, kvůli kterým nejsme čipy ani třeba elektromobily schopni vyrábět za konkurenceschopné ceny. V čem jsme ale pořád špičkoví, je instrumentace, to znamená přístroje a stroje na jejich výrobu. Ty nejpokročilejší technologie, na kterých vyrábí například Apple svoje „emkové“ čipy, to jsou stroje nizozemské firmy ASML. Mimochodem právě firmě ASML dodává optiku pro špičkové EUV litografické stroje česká Meopta.

Jak historicky vzniklo dnešní rozdělení rolí v oblasti výroby polovodičů?

Polovodiče jsou známé celkem dlouho, ale zásadní aplikaci přinesl až vynález tranzistoru koncem 40. let, který umožnil nahradit drahé, křehké, rozměrné a energeticky náročné vakuové elektronky. V 50. letech se výroba tranzistorů rozšířila po celém světě, Československo nevyjímaje. Dokonce jsme tehdy třeba v Rožnově zase tak moc nezaostávali. Zásadně se to ale zhoršilo v 70. letech po konstrukci prvních mikroprocesorů, které byly skokem hlavně pro výpočetní techniku a umožnily ji dostat na každý stůl. Kvůli exportním omezením západních technologií jsme začali definitivně ztrácet. Ve stejnou dobu naopak asijští tygři Taiwan, Korea, Hongkong a Singapur mohutně investovali do výroby čipů a elektroniky obecně. Celá generace taiwanských expertů studovala od 70. do 90. let v USA, aby následně doma budovala výrobní kapacity světového významu. Velká část produkce polovodičů se pak i v Asii spotřebovala do koncových výrobků – koncerny jako Samsung, LG, ACER či ASUS vznikly právě tam.

A jak je to s tou náročností na zdroje?

Při výrobě se spotřebuje velké množství čisté vody a elektřiny, proto se Evropa výroby ráda zbavovala, respektive později už nebudovala nové kapacity a od uvolněných 90. let se spoléhala na to, že bezpečí mezinárodního obchodu potrvá věčně. Jiná věc jsou ale složité povolovací procesy, například Jižní Korea je v současnosti úplným opakem západního světa v tom, že se snaží být co nejvíc nezávislá úplně ve všem.

A kdy a proč jsme začali vnímat, že se jako Evropa ocitáme v oblasti čipů v nevýhodě?

Z globálního pohledu byla dlouhodobě zásadní obchodní válka mezi USA a Čínskou lidovou republikou o postavení ve strategických technologiích. Ta přinesla konec skoro neomezeného sdílení nejvyspělejších technologií a aspoň částečné obrácení trendu přesunu výroby do kontinentální Číny. Na situaci v Evropě má nepřímý vliv i to, že ve světle soupeření USA-Čína se prudce omezily také přímé taiwanské investice do kontinentální Číny. Volné zdroje současně s potřebou rozšiřovat výrobu přinesly zájem o Evropu. Vládní či evropská finanční podpora je v tom spíš nutností než konkurenční výhodou, dávají ji totiž všichni.

Poptávka po polovodičích navíc pořád roste. Kde všude?

Klíčovým odběratelem jsou stále telekomunikace a to je strašně široká oblast – od síťové infrastruktury přes vysílače až po mobily, co nosíme v kapse. Stále k tomu samozřejmě patří výpočetní technika – počítače, co máme na stole, ale i výpočetní infrastruktura: datová centra, velká úložiště. Letitou klasikou ale s citelným vývojem jsou obnovitelné zdroje, zejména fotovoltaika, ta je vysloveně postavena na polovodičích. A další boost poptávky po polovodičích způsobuje masivní růst elektromobility. Přes všechnu vyspělost a digitalizaci klasických aut jsou elektromobily přece jen na polovodičích výrazněji závislé – digitálně ovládáno je tam úplně všechno.

Obecně dnes všechny pohony fungují na polovodičové bázi, je jedno, jestli potřebujete roztočit motorek ve vrtačce, elektromobilu nebo v lokomotivě. Řada z dnes používaných technologií přitom ještě před 15 lety neexistovala. Svoje nároky bude navíc stupňovat energetika. Vezměte si, že typicky vyrábíme elektřinu třeba na severu Německa na moři, ale potřebujeme ji dostat na Balkán. Dálkový přenos je obří zádrhel, a přes moře zejména. Proud je totiž třeba do podmořských HVDC vedení usměrnit a pak z něj střídači zase udělat střídavý. O to všechno se starají polovodiče. 

Léta se mluvilo o dominanci dvou výrobců počítačových čipů, Intelu a AMD. Hlavně ten první se teď potýká s problémy a nastupuje naopak NVIDIA. Čím to, že se síly přeskupují?

Největším výrobcem čipů obecně je TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation). Obě zmíněné firmy po desetiletí soupeřily, ale Intel byl vždy tím, kdo má větší prodeje i krajíc trhu. Problémem obou je, že vyrábí léta. Kvůli náhradním dílům musí držet i starší řady a zároveň uvažovat, co se bude prodávat za 10 nebo 20 let. Právě tento arzenál teď Intel stahuje dolů. NVIDIA je úplně jiný příběh. Původně se etablovala pro hry a virtuální realitu, grafiku a multimédia a vypadalo to, že se bude rozvíjet v tomto segmentu. Normální CPU mají třeba 16 jader a 32 vláken, zatímco u těch grafických jsou to řádové násobky těchto počtů a jader jsou stovky. Ukázalo se, že pro některé typy výpočtů, třeba když potřebujete posunout obraz, takže s mnoha body uděláte to samé, se tyto produkty hodí víc než běžné čipy. Přišlo se na to, že právě tento charakter mají úkoly spjaté s učením umělé inteligence a NVIDIA se na tom skvěle svezla.

Kudy se vlastně ubírá trend ve výzkumu a vývoji čipů?

Co stojí za sledování, je přístup Applu. S koncepcí vlastních procesorových řad A, S a M, které se montují do jejich zařízení podle požadovaného výkonu, udělala firma výrazný zlom. Apple správně vyhodnotil, že se mu vyplatí nebýt závislý na externím výrobci (do té doby Intelu) a zejména na špičkové řadě M, kterou osazuje do počítačů a notebooků, vidíme několik trendů:

Apple je navrhl, ale přímo nevyrábí, dělají se na momentálně nejvyspělejší 3nm technologii v továrnách TSMC. Vyšší integrace znamená menší obvody a menší ztráty, notebooky tak vydrží déle bez napájení, ale odpadá i potřeba hlučného chlazení. Udržení více kompatibilních, spolu vyvíjených procesorových řad pro různé velikosti zařízení navíc umožňuje efektivněji a spolehlivěji psát aplikace, které na zařízeních poběží. Tato míra sjednocení platforem tu nikdy nebyla a dá se čekat, že další výrobci ji budou následovat. Výborně pomoct v tom navíc může i jednotná architektura RISC-V podporovaná Evropskou unií a výrobci návrhových nástrojů, jako je Codasip vzniklý v Brně.

A jak se díváte na tu často skloňovanou vizi, že se jako Česko můžeme stát výrazným hráčem na tomto poli?

Není to nadsazené, máme slušné výchozí postavení. Výrobní kapacity se budou rozšiřovat, tradice i ve vzdělávání je zde slušná. Naše zkušenost s výrobou a strojírenstvím je opravdu ojedinělá. Pomohou nám masivní investice u sousedů v Německu (zejména v Sasku, kam jde TSMC) a v Česku může vzniknout podobná síť subdodavatelů, jako jsme se to naučili v automotive. Nesmíme to ale prohrát obvyklou liknavostí, pomalostí a resortismem. Jsem docela optimista, věřím, že se polovodičovému sektoru u nás zadaří stejně jako nyní IT průmyslu nebo strojírenství ještě dříve. Koneckonců každý, kdo vidí balancování českého průmyslu na hraně propadu, tuší, že ekonomické zotavení klasických průmyslových odvětví bez generační modernizace nejspíš nepřijde.