We verlangen steeds meer van onze computerchips. Ingenieurs en fabrikanten moeten alles uit de kast halen om in de toenemende vraag te voorzien. De opmars van chips voor kunstmatige intelligentie (AI) stelt de industrie intussen voor nieuwe uitdagingen. Chips - integrated circuits, of IC’s - worden in zo’n beetje alle apparaten gebruikt. De komende jaren worden chips nóg belangrijker, weten experts, niet in de laatste plaats door de huidige AI-revolutie.

Een computerchip bevat miljarden transistoren, minuscule schakelaars op micro- of nanoniveau. Die maken met zijn allen mogelijk dat een processor ingewikkelde berekeningen uitvoert. Oorspronkelijk lagen de transistoren in een computerchip min of meer in het platte vlak. Decennialang werden deze transistoren steeds kleiner gemaakt, tot een fundamentele grens in zicht kwam. Dan werd er telkens weer een nieuw transistorontwerp bedacht, waarna de cyclus zich herhaalde.

Tot op de dag van vandaag volgt de chipindustrie de zogeheten Wet van Moore. Die is genoemd naar de Amerikaanse chemicus en ingenieur Gordon Moore, een van de grondleggers van de hedendaagse computerindustrie. Hij zag in 1965 als eerste een wetmatigheid in de dichtheid van transistoren op integrated circuits. Toch loopt deze wet tegen zijn grenzen aan, zeggen experts. Op een bepaald moment kúnnen transistoren simpelweg niet meer kleiner.

De Rol van Computerchips

Computerchips voeren de volgende taken uit: het verwerken, opslaan en transporteren van signalen. Snellere computers kunnen meer signalen versturen en ontvangen, wat vaak gepaard gaat met een hoger aantal transistoren op de chip. Deze transistoren zijn kleine schakelaars die de stroom van deze signalen bepalen. In de laatste jaren is het de kunst geweest van de chipbedrijven om zo veel mogelijk van deze transistoren op een chip te proppen. Dit zorgde voor een aanzienlijke toename in de rekenkracht van computers. De huidige computerchips worden geproduceerd op een schaal die slechts enkele nanometers beslaat. Met nanometers praat je over een miljoenste van een meter, ookwel 0,000001 millimeter. Deze chips zijn nu zo klein dat de chipsector voor een natuurlijke barrière staat.

System-on-a-Chip en Chiplets

Traditioneel voegden chipmakers alle componenten samen in de behuizing van één chip. Die aanpak heet system-on-a-chip. Een nieuwe aanpak is om verschillende soorten chips dicht bij elkaar te zetten en ze te laten samenwerken. Dat werkt volgens Jo De Boeck, chief strategy officer van het van oorsprong Belgische onderzoeksinstituut imec als een soort lego: van verschillende bouwblokken wordt één geheel gebouwd. Met deze aanpak splitsen fabrikanten de functies op in verschillende componenten - chiplets worden die genoemd. ‘We delen het complexe geheel dan op in elementaire functies’, legt De Boeck uit. ‘Dan kan bijvoorbeeld één chip het zware rekenwerk doen, terwijl een andere component zorgt voor een goede interface met de buitenwereld. Een voordeel van deze aanpak met chiplet-bouwblokken is dat fabrikanten de verschillende chips met de eigen optimale productietechniek kunnen maken. Dat levert minder fouten op en dus een hogere opbrengst. Nadeel is wel dat de verschillende chips op enige afstand zitten van elkaar en onderling met draadjes moeten worden verbonden.

De Impact van Kunstmatige Intelligentie (AI)

Als er één trend is die de chipindustrie voortstuwt, is het wel kunstmatige intelligentie (AI). Die technologie is in de afgelopen twee jaar doorgebroken bij een breed publiek en dat biedt deze industrietak nieuwe kansen. Want iedere keer als iemand - zeg - ChatGPT een tekst laat opstellen, voeren computerprocessoren ergens op een server van OpenAI berekeningen uit. Nog veel meer computerarbeid zit trouwens daarvóór, in het trainen van de taalmodellen die al die handige chatbots en plaatjes-generatoren mogelijk maken. De brede doorbraak van AI leidt dus tot een enorme toename in het elektriciteitsverbruik; een curve die de komende jaren alleen maar steiler dreigt te worden. ‘Wanneer je het gebruik van AI extrapoleert, dan is het energieverbruik ervan gewoon niet meer vol te houden’, zegt Jo De Boeck van imec. De eerste efficiëntieslag kan worden gemaakt door de algoritmen achter AI te verbeteren, zegt De Boeck. ‘Maar ook door de architectuur van de compute-engine een stuk efficiënter te maken.

De Rol van ASML

Centraal in de chipfabriek staat de lithografiemachine, en die komt tegenwoordig meestal uit Veldhoven. ASML's High NA EUV-machine kan de fijnste structuren afbeelden, waarvoor nu nog meerdere belichtingsstappen nodig zijn. Voor grote chipfabrikanten is tijdwinst geld.

Hoe is ASML ontstaan?

ASML komt voort uit Philips, de gloeilampen- en elektronicafabrikant die onlosmakelijk is verbonden met Eindhoven - de stad waar Veldhoven tegenaan ligt. Chips worden in die tijd gemaakt door het patroon voor de elektrische schakelingen via een contactafdruk aan te brengen op het basismateriaal, silicium. Daarbij ontstaan vaak beschadigingen. De Philips-machine werkt anders: het patroon wordt op het silicium aangebracht door middel van projectie. Het bedrijf gaat op zoek naar een partner om de risico’s mee te delen. In 1984 richten Philips en ASM International samen ASM Lithography op, kortweg ASML. Twee jaar later komt de eerste wafer stepper op de markt, een jaar later gevolgd door een nieuw model, met betere lenzen van de bekende Duitse lenzenmaker Carl Zeiss.

Om de technologie van zijn machines te verbeteren is zoveel geld nodig dat het moeilijk terug te verdienen is met de verkoop van de machines. In 1992 heeft ASML een noodlening van tientallen miljoenen guldens nodig van moederbedrijf Philips. Dat zit zelf in grote problemen, is met een grootscheepse reorganisatie bezig en heeft net een miljardenlening moeten afsluiten. Toch komt het geld er. Aan het einde van hetzelfde jaar vindt ASML de weg omhoog, met een grote order van de chipmaker Taiwan Semiconductor voor een fabriek in Taipei. Een paar jaar later wordt ook Samsung klant. ASML verkoopt steeds meer chipmachines. In 1995 volgt een mijlpaal: ASML wordt zelfstandig en gaat naar de beurs. 60% van de aandelen wordt genoteerd aan de Amerikaanse technologiebeurs Nasdaq, de overige 40% gaat naar de Amsterdamse aandelenbeurs.

Hoe zorgt ASML dat chips ook in de toekomst steeds sneller worden?

ASML heeft volledig ingezet op een nieuwe generatie chipmachines, die werkt met EUV-technologie (extreem ultraviolet licht, met een heel korte golflengte). Dit type licht maakt het in theorie mogelijk om nog nauwkeuriger te werken, maar de praktische toepassing is problematisch. Zo heeft EUV-licht het probleem dat het verdwijnt in de lucht, en ook door lenzen volledig wordt geabsorbeerd. De nieuwe machines werken dus met een vacuüm, en met spiegels in plaats van lenzen.

De machines wegen 180.000 kilo en bestaan uit zo’n 100.000 onderdelen, die allemaal met grote nauwkeurigheid gemonteerd moeten worden. Het apparaat moet bovendien perfect schoon blijven: het kleinste vuiltje zorgt voor fouten in de chips. De EUV-machines maken het mogelijk om lijntjes te printen van 7 nanometer dik (in een millimeter gaat een miljoen nanometer). In de toekomst moet dat verder worden teruggebracht, tot 1,5 nanometer.

Duurzaamheid en Milieu-impact

Hoewel computerchips het leven ontegenzeggelijk makkelijker hebben gemaakt, is er één onderwerp waar we niet omheen kunnen: de milieuvoetafdruk ervan. Dat sommige grondstoffen voor de chips uit vervuilende mijnbouw afkomstig kunnen zijn is bij de meesten wel bekend. De milieubelasting van de huidige productiewijze van chips is dat zeker niet. Ook worden in een chipfabriek vele schadelijke stoffen gebruikt, met als meest opvallende: PFAS (poly- en perfluoralkylstoffen). Deze forever chemicals zijn zó stabiel, dat ze tot in lengte van dagen in het milieu achterblijven als ze niet goed worden verwerkt. Het is juist die stabiliteit die deze stoffen zo geschikt maakt voor ingenieurs om mee te werken. ‘PFAS zijn goed bestand tegen hoge temperaturen en agressieve chemicaliën. Ze zijn heel zuiver en laten nauwelijks stoffen los. De meeste bedrijven in de sector hebben inmiddels een routekaart opgesteld waarin ze beschrijven hoe ze duurzamer denken te gaan produceren, met minder uitstoot van broeikasgassen. De opgave van verduurzaming is immens.

Fotonische Chips: De Toekomst van Computertechnologie

Elektrische chips genereren in een computer niet alleen elektrische signalen, maar ook veel warmte. Deze warmte vormt een probleem, het leidt tot onnodig veel energieverlies wat de mogelijkheid om chips nog sneller te laten werken belemmert. In tegenstelling tot elektrische computerchips werkt een fotonische chip door middel van fotonen (licht). Deze fotonische chips worden geïntegreerd in diverse technologische toepassingen. In het gehele universum is er niets sneller dan licht, waardoor het de ideale keuze is voor het versturen van informatie. Fotonen hebben verschillende eigenschappen die hen geschikter maken voor signaaloverdracht dan elektronen. Ze hebben geen lading of massa, waardoor ze minder interacties hebben met de chip en minder weerstand veroorzaken. Hierdoor gaat minder energie verloren in de vorm van warmte. Bovendien kan het licht in deze fotonische chips veel meer informatie dragen dankzij het brede frequentiespectrum. Hierdoor kunnen we meer dan alleen eenvoudige ééntjes en nulletjes overbrengen. Deze voordelen van licht zijn al lang bekend in de wereld van datacommunicatie.

Voordat we fotonische computerchips op de markt zien, zal het waarschijnlijk nog 10 tot 20 jaar duren. Hoewel fotonica momenteel misschien nog niet beschikbaar is voor consumenten, wordt het al volop gebruikt in de wereld van telecommunicatie en datacenters. Pavel Goor ziet hierin de grootste technologische vooruitgang, zowel nu als in de toekomst. Een experiment aan de Technische Universiteit van Denemarken in Kopenhagen heeft bijvoorbeeld laten zien dat een fotonische chip 1,84 petabits per seconde aan data door een glasvezelkabel kan versturen over een afstand van 8 km. Met deze snelheid kun je dus 1840 terabytes per seconde downloaden. Dat zijn internetsnelheden die we ons op dit moment niet kunnen voorstellen. Om toch een beeld te schetsen zou je alle films ooit gemaakt, zelfs op de hoogste resolutie, in slechts één seconde kunnen downloaden. Deze efficiëntiesprong geeft een krachtig beeld van de immense capaciteit en snelheid van datatransmissie die mogelijk is met fotonische chips.

Toepassingen van Fotonische Chips

Universitair hoofddocent Yuqing Jiao bespreekt wat we in de nabije toekomst kunnen verwachten, toepassingen zoals Solid-State LIDAR, een technologie die licht gebruikt om afstanden te meten, wat bijvoorbeeld wordt toegepast in zelfrijdende auto’s. Ook noemt hij Neuromorphic computing, waarbij wordt geprobeerd de verbindingen (neuronen) in een menselijk brein zo nauwkeurig mogelijk na te bootsen op een chip. “Neuromorfisch computergebruik is een processor ontwerpen die het menselijk brein nabootst. Je hebt neuronen die, wanneer ze geactiveerd worden, een spike maken naar de volgende 100 tot 1000 neuronen, en dan weer een spike naar de volgende. Deze fotonische chiptechnieken gaan vooral een belangrijke rol spelen in sectoren zoals datacommunicatie, gezondheidszorg, vervoer en landbouw.

Nederland als Leider in Fotonica

Er zijn rond de driehonderd bedrijven in Nederland actief op het gebied van fotonica. “Bovendien loopt Nederland voorop in onderzoek en onderwijs op dit gebied. Yuqing Jiao doet voornamelijk onderzoek naar de productie van fotonische chips, met als doel deze op hetzelfde niveau te krijgen als de huidige computerchips. Bij het maken van fotonische chips worden dezelfde basisprincipes toegepast als bij elektrische chips. Deze chips worden geproduceerd in EUV-machines, voornamelijk door het Nederlandse bedrijf ASML, waarbij patronen in een wafer worden geëtst. Deze nieuwe onderdelen zijn aanzienlijk complexer en vormen de grootste reden waarom fotonische chips nog niet op hetzelfde niveau zijn als elektrische computerchips. Uniek in het onderzoek van Yuqing Jiao is zijn kijk op de integratie van het maken van fotonische chips.

De overheid en investeerders stellen namelijk de komende jaren honderden miljoenen euro’s beschikbaar om deze industrie te stimuleren. Een veelbelovend toekomstperspectief is dat Nederland een leidende positie inneemt in de productie van fotonische chips. Dit idee is helemaal niet zo vergezocht, omdat we hier alle benodigde faciliteiten hebben: van ontwerp, productie en testen tot bedrijven die producten met fotonische chips maken. Maar de vraag is of Nederland erin zal slagen om deze positie te verzilveren. Andere landen, zowel binnen als buiten Europa, ruiken namelijk ook kansen in deze industrie.

labels:

Zie ook: