De Wet van Moore is ten dode opgeschreven: chips zijn niet meer kleiner te maken. De chipindustrie, met zijn omzet van honderden miljarden, is echter niet van plan op te geven en zoekt de absolute grenzen van de chip op en doorbreekt die zelfs, onder meer met gestapelde exemplaren.
Smartphones, USB-sticks met tientallen gigabytes geheugen, en Solid State Drives (SSDs) die ervoor zorgen dat een computer binnen luttele seconden opstart. We leven in een maatschappij met bibliotheken aan informatie op apparaten op zakformaat of zelfs nog kleiner. En dat allemaal dankzij de almaar krimpende microchips. Zo ging de opslagcapaciteit van een vijf ton wegende kubus van 5 MB naar een vingertopgroot SD-kaartje met 64 GB ruimte. En die technologie is inmiddels alweer vijf jaar oud.
Die voortdurende miniaturisatie wordt gedreven door de Wet van Moore – geen echte wet in juridische of natuurkundige zin, maar een soort richtlijn voor of trend in de chipindustrie. Intel-oprichter Gordon Moore voorspelde in 1965 dat de hoeveelheid transistors per chip elke twee jaar zou verdubbelen. Vijftig jaar lang hield de industrie zich keurig aan die regel. Het leidde tot de ontwikkeling van een absurde industrie: de chipmakerij. Het begon met een gezonde markt, waarin veel bedrijven konden investeren in de technologie en prima winst konden maken. Maar de tijden waarin die bedrijven meer dan 10 % per jaar groeiden, zijn voorbij. Nu, in 2016, zijn er nog vier grote spelers over, te weten Intel, Samsung, TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing) en SK hynix, die alle kleinere bedrijven opkopen. Het gevolg is dat een kleine groep producenten het overgrote deel van de chips maakt, voor alle producten die we dagelijks gebruiken.
Dat zo’n beperkte kliek bedrijven een van de belangrijkste industrieën in zijn macht heeft, illustreert wat er in de chipwereld aan de hand is. Doordat alles steeds kleiner moet, zijn productiemethoden zo specialistisch en duur geworden dat een fabriek inrichten miljarden euro’s vergt. Bovendien is direct winst maken noodzakelijk, want anders ga je alsnog kopje onder door de dure productietechnieken. De reden dat ASML, het bedrijf dat de machines maakt om chips mee te produceren, zo goed loopt, betekent tegelijkertijd de ondergang van elke hoopvolle ondernemer die zich bij de elite van vier bedrijven wil voegen.
Yield
Dat komt door iets dat de yield heet, de opbrengst van het chipproces. Hoe minder chips bij productie defect blijken, hoe beter. Bij chips is de productieopbrengst ook direct een goede maatstaf voor de duurzaamheid van de chip. Kortom: hoe beter je bent in produceren, hoe betrouwbaarder je chips zijn. Daarom moet de yield vanaf het begin boven de 80 % liggen. Lager dan dat, verkoop je in feite een slecht product. Om meteen te beginnen bij een opbrengst van 80 % foutloze chips, terwijl op nanometerschaal snel foutjes optreden, dat vereist, naast specialistische kennis en ervaring, dure apparatuur die maar weinigen kunnen betalen.
Er lijkt, kortom, weinig plek voor nieuwkomers. Maar ook de grote jongens hebben een probleem: innovatie blijkt lastig. Er is namelijk een kritieke grens bereikt in de miniaturisatie. De stroomklep in een transistor, de zogeheten gate, is in de meest geavanceerde chips nooit kleiner dan 30 nm. Bij kleinere afmetingen ontstaat er zowel tijdens het maken als bij het gebruik een probleem dat kwantumtunneling heet. Daarbij springen elektronen onvoorspelbaar over tussen de draadjes en de transistor zelf. De klep wil als het ware niet sluiten als deze te klein wordt uitgevoerd: hij is lek. Dat maakt hem onbruikbaar voor een regelbare, betrouwbare chip. Wetenschappers en chipmakers zijn nu op zoek naar andere materialen, waarmee chips toch zijn te verbeteren terwijl de kleppen niet kleiner worden. Denk aan draadjes van een paar nanometer dik die toch goed geleiden. Maar dat is nog een hele toer.
Toekomst
En dus breken experts over de hele wereld hun hoofd over de toekomst. Bij Imec, het Belgische onderzoeksinstituut voor de chipindustrie, bijvoorbeeld, bij ASML, dat machines wil maken die kleiner kunnen, maar daar steeds meer geld en werk aan kwijt is, en bij de Universiteit Twente. Daar houden prof.dr.ir. Bram Nauta en prof.dr. Jurriaan Schmitz zich ermee bezig. Nauta is een expert op het gebied van systeemontwerpen, Schmitz op het gebied van fabricage en productie van halfgeleiderchips.
Ze hebben zo hun eigen visie op de staat van de industrie. ‘De Wet van Moore is niet meer zo belangrijk’, zegt Schmitz. Nauta knikt instemmend. En die kan het weten, want hij is, zoals zijn collega Schmitz het zegt, ‘de kampioen van de zuinige chips’. Als onderzoeker bij instituut CTIT in Twente ontdekte hij onder meer een manier om ruis in chipsignalen uit te doven, zonder dat daar relatief grote elektronica aan te pas hoeft te komen. Zijn methode wordt inmiddels in alle telefoons gebruikt, om verschillende soorten straling te verwerken met dezelfde chip. ‘Ik zoek nog steeds naar manieren om halfgeleiders te verbeteren, manieren waar je wat aan hebt. Iets wat over vijf jaar bij de Media Markt ligt.’
Schmitz kijkt aan de productiekant ondertussen wat verder de toekomst in. ‘Wat ik maak, gebruikt Bram pas over tien jaar bij zijn onderzoek. Het moet eerst nog in een fabriek worden geïntroduceerd. Aan de andere kant, als hij iets wil, kan ik het proberen te maken.’ Schmitz werkt met zijn team bijvoorbeeld aan de eerder genoemde vervangende draadjes. ‘Ook het siliciumsubstraat, het letterlijke fundament van de chipindustrie, is te vervangen. Maar voorlopig is er geen kandidaat halfgeleider die in alle opzichten beter is.’
Crisis
Halfgeleidermakers en -onderzoekers hebben eerder voor grote problemen gestaan. Tot 2003 verliep alles probleemloos. Toen bleek plots dat het veelgebruikte siliciumdioxide niet meer werkte als isolator van een transistor. Ook toen was kwantumtunneling de boosdoener: het effect deed de isolatie van het materiaal teniet. Deze crisis in de chipwereld werd uiteindelijk opgelost. De isolatie vindt nu plaats met metaaloxides. Bovendien introduceerde men rond die tijd zogeheten uitgerekt silicium, dat chips twee keer zo snel maakt. Na 2003 werden er dus grote sprongen voorwaarts gemaakt, terwijl iedereen ook toen dacht dat het voorbij was.
Als Nauta en Schmitz eerlijk zijn, hoeft voldoen aan de Wet van Moore niet zo nodig meer. ‘Om circuits nu beter te maken moet je naar de draadjes kijken. Dat is beter dan het geschaaf om een transistor nog een nanometertje kleiner te maken.’ Nauta: ‘Eigenlijk is Moore, in de oorspronkelijke versie, al een paar jaar over. Het aantal transistors op een chip groeit niet meer volgens zijn trend.’
Dat we toch nog spreken over de Wet van Moore, en het einde voorspellen in plaats van herinneren, komt door innovaties rond de chip. ‘De kostprijs per functie, zoals wij dat noemen, is eigenlijk een belangrijkere maatstaf.’ Het beschrijft de mogelijkheden van een chip: is hij zuinig, kan hij veel berekeningen aan, en is hij flexibel. Op dat gebied ontwikkelt het vak zich nog net zo snel als in de glorietijden van de Wet van Moore.
Dat betekent niet dat de chips niet meer kleiner worden. Onder meer Samsung en TMSC werken al aan 10 nm-chips, die eind dit jaar klaar moeten zijn. Volgens de krant Korea Times kijkt Samsung, samen met ASML, zelfs al naar 7 nm-chips.
Daarnaast is de chip langzaamaan de hoogte in aan het gaan. Stapelchips, waarbij transistors boven op elkaar worden gebouwd, waren lange tijd een veelbelovende toepassing. Sinds anderhalf jaar bouwen elektronicagiganten als Samsung, SK hynix en Toshiba ze ook daadwerkelijk; in sommige SSD-geheugens zitten al torentjes van 32 lagen. Voordeel is dat het oppervlak er niet door toeneemt en ook het volume praktisch hetzelfde blijft. De geheugencapaciteit stijgt echter enorm. Dit stapelen is de hoeder van de Wet van Moore in de ruimere interpretatie.
Dat gelooft ook onderzoeksinstituut Imec. Chief scientist dr. ir. Jan van Houdt: ‘3D-bouwen, zoals Samsung het doet, is nog jong, maar het blijkt nu al te werken. Als we de techniek perfectioneren, kan dat apparaten nog jarenlang kleiner en sneller maken.’ De techniek vereist echter grote veranderingen in het maakproces. Lithografie, waarbij chips met licht gemaakt worden, zou dan niet (of minder goed) werken. Dat betekent dat ASML bijvoorbeeld in de problemen kan komen. De Houdt: ‘Ik was laatst bij ASML en legde uit dat 3D de toekomst heeft. Aanpassen kost echter veel geld en moeite.’ ASML zal niet de enige zijn die de hoogbouw in de chipwereld met lede ogen aanziet.
Verliezers
Dat de ontwikkeling van laagjestechnologie zo snel ging – in 2007 werd het voor het eerst in een lab gedaan, vijf jaar later lag het in de winkel – komt door het leger van toegewijde experts, ingenieurs die niets anders doen dan de details van chipwerking bestuderen. Bedrijven proberen de ontwikkeling van die kennis te maximaliseren door wedstrijdjes en interne competitie. Nauta: ‘Bij Intel heerst het motto ‘only the paranoid survive’. Als je een nieuw idee hebt, moet je dat vooral niet doorvertellen. Anders word je ontslagen ten faveure van degene die je idee heeft gestolen.’
Bij Samsung gaan ze vriendelijker te werk: daar strijden twee teams tegen elkaar om het eerst iets te bereiken. De winnaars mogen doorgaan met die ontwikkeling, verliezers komen in een andere tak van het megabedrijf te werken. Beide methoden laten echter zien hoe competitief de chipwereld is geworden: iedereen voelt een constante druk om de beste te zijn. Desondanks lijkt het einde onvermijdelijk. Want ook het stapelen heeft een grens. Die ligt rond de honderd laagjes, waarna het voltage op de chip niet meer hoog genoeg is om de stroom in alle lagen te laten doordringen. Daarna zijn er vraagtekens. Van Houdt: ‘Daar proberen we nu een oplossing voor te vinden.’ Wellicht, zo beredeneren Schmitz en Nauta, loopt het wel los. Nauta: ’Ik hoor al mijn hele leven dat de Wet van Moore op sterven na dood is. Maar er zit nu zo veel momentum in, zo veel geld en kennis achter, dat de trend zich niet zomaar laat afbuigen. Te veel mensen zijn gebaat bij een voortzetting.’
Bovendien, een alternatief is er niet. Experimenten met biochips, nanostructuren en andere hightech ideeën leiden niet tot een disruptie van de techindustrie. Schmitz: ‘Mensen die dat uitvinden, denken niet na over hoe je computer bouwt. Een transistor is namelijk zo praktisch en zo energie- efficiënt, die werp je lastig omver.’ Nauta: ‘De eerste transistor was al verkoopbaar en bleek al voor verkoop schaalbaar. Wil je zo’n mooi concept vervangen, dan moet je radicaal beter zijn. We willen niet met de opvolger van de transistor over vijf jaar tegen nieuwe grenzen in het maakproces aanlopen.’
‘Nanowetenschappers bedenken mooie dingen, maar voor enige vorm van massaproductie zijn ze totaal ongeschikt’, vervolgt Nauta. ‘Het is iets dat alleen wetenschappelijk leuk is. Voor de chipindustrie kun je het vergelijken met handschrift versus de boekdrukkunst.’
In feite is de chipindustrie dus conservatief. Ze blijft doorgaan op de gebaande paden. Ondanks de fysieke grenzen heeft de industrie weinig moeite om miljarden te stoppen in onderzoek in een poging die grenzen toch nog een klein beetje op te rekken. |
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.