Kan het nog kleiner, sneller en slimmer?

De chip is klein en snel. De productietechniek is vernuftig. Er lijkt ruimte voor verbetering. Het is ‘kunst- en vliegwerk, maar het lukt wel’....

Kijk, zegt Kees Beenakker, dit is Sjanghai. Hij laat een luchtfoto zien met de bekende wanorde van de wereldstad: de wolkenkrabbers van verschillende hoogte, de straten daartussen, het gekrioel van de bewoners, al dan niet in auto’s. ‘En dit is een moderne chip.’

Dezelfde chaotische drukte. Maar hier zijn het transistoren, weerstanden, condensatoren, diodes, de verbindingen daartussen. ‘Honderd miljoen elementen, 22 kilometer weglengte. Dit is Sjanghai op een vierkante centimeter.’

Beenakker, hoogleraar en wetenschappelijke baas van de 250 onderzoekers bij micro-elektronicalaboratorium Dimes van de Technische Universiteit Delft, vindt dat het begrip van een computerchip begint bij het begrip van de on-ge-loof-lijke complexiteit ervan. ‘Dat ziet eigenlijk niemand meer. We zijn er zo gewend aan geraakt, dat geen mens er meer van opkijkt.’

De tragiek van de chip: alomtegenwoordig en daardoor onzichtbaar.

Vroeger had je een hele zaal vol hete buislampen nodig voor een simpele rekenmachine. Nu volstaat een plaatje van een paar vierkante centimeter. Het danig geslonken formaat en de tegelijkertijd danig geslonken kosten van deze denkmachines hebben de toepassing mogelijk gemaakt in horloges, telefoons, gehoorapparaten en tamagotchi’s. Allemaal dankzij één vondst, een halve eeuw geleden: de chip.

De transistor, het sleutelelement op de chip, was tien jaar eerder ontdekt. Een dingetje van half geleidend materiaal (silicium of germanium) dat stroom soms wel en soms niet doorliet, en zo het 0-of-1-denken van de computer elektronisch mogelijk maakte. Maar dat vergde wel een hoop gesoldeer en gepriegel met printplaatjes.

Toen kwam de chip. Een flinter, letterlijk. Een scherf silicium die alle tientallen, duizenden, miljoenen transistoren die erop komen al in zich bergt, want een computerchip maken heeft veel weg van beeldhouwen, zoals gedefinieerd door Michelangelo. Gewoon een kwestie van overtollig materiaal weghalen.

Het bijzondere aan de ontwikkeling van de chip is dat de techniek van het weghalen in de loop der jaren zo is verfijnd, dat er steeds kleinere details mogelijk werden. Dezelfde vierkante centimeter kon steeds meer – de denkkracht is, zoals de bekende Wet van Moore in 1965 min of meer voorspelde, elke twee jaar verdubbeld – tot hij nu, in de woorden van Beenakker, een stad als Sjanghai kan herbergen. Grote vraag: hoe lang kan dat zo nog doorgaan?

Nog zeker tien jaar, is de overtuiging van Jurriaan Schmitz (41), hoogleraar bij het instituut Mesa+ van de Universiteit Twente, waar hij een groep van 25 mensen leidt die chips onderzoeken. ‘Alleen zijn die allerkleinste transistors eigenlijk alleen voor microprocessoren in computers nog interessant. Een autoradio redt het ook met chips met grotere transistors.’

Stempelproces

Stempelproces
Er is zeker nog ruimte voor verbetering. Chips worden gemaakt met een soort optisch stempelproces, lithografie genaamd (letterlijk: steenschrijverij). Door een plak silicium op een bepaalde manier met licht of andere straling te beschijnen, ontstaan de gewenste patronen van elektrische schakelingen. Hoe kleiner de golflengte van die straling, des te kleinere details op de chip kunnen worden geproduceerd. Momenteel zitten de fabrikanten op 193 nanometer, en doen ze pogingen te werken met 157 nanometer. ‘Maar ze spreken op symposia soms al over 22 nanometer’, zegt Beenakker.

Stempelproces
Lithografie is eigenlijk een combinatie van optische en chemische bewerkingen. Een pannenkoek silicium met het formaat van een langspeelplaat wordt eerst bedekt met een isolerend laagje, en dan besmeerd met een polymeer dat gevoelig is voor licht: men laat er in het midden een druppel op vallen, die zich vanzelf verspreidt over de draaiende plak.

Stempelproces
Zo bedekt wordt de pannenkoek op een bakplaat in de belichtingsmachine geschoven. In dat apparaat zit het masker, een glazen plaatje met daarin het (gedeeltelijke) patroon dat op de chips moet worden geëtst. Dit patroon wordt met zeer precieze lenzen op het lichtgevoelige laagje geprojecteerd. Op de plekken waar licht valt, wordt de plasticlaag week, waardoor het daarna met een oplosmiddel kan worden weggespoeld.

Stempelproces
[Zie verder pagina K03]

‘Elektronica in een elektrostep hoeft niet snel te denken’

‘Elektronica in een elektrostep hoeft niet snel te denken’
[Vervolg van pagina K01]

‘Elektronica in een elektrostep hoeft niet snel te denken’
Op die manier valt dus op bepaalde plekken de isolerende laag bloot. Die wordt weggeëtst, waardoor het silicium aan de oppervlakte komt te liggen. En daar is het de chipsbakker om te doen.

‘Elektronica in een elektrostep hoeft niet snel te denken’
Dit proces wordt tientallen keren herhaald, waarna de complexe geïntegreerde circuits ontstaan die een computer kunnen besturen of een complete film in hoge resolutie kunnen opslaan. Het Nederlandse bedrijf ASML is er groot mee geworden, dankzij enorme wafersteppers, die ondanks hun formaat nauwkeurig en razendsnel manoeuvrerend de siliciumplakken onder het masker door laten schuiven en zo tienduizenden chips per dag produceren.

Draaicirkel

Draaicirkel
De golflengte van het licht bepaalt de grootte van de details op een zo gefabriceerde chip. Kwestie van optica: lange golven kunnen nou eenmaal minder scherp de hoek om dan korte, zoals een vrachtwagen een grotere draaicirkel heeft dan een brommer.

Draaicirkel
In theorie kunnen de details niet kleiner dan de helft van de golflengte. Toch zijn op de chips van nu, gemaakt met een golflengte van 193 nanometer, al transistoren van 30 nanometer mogelijk, zo’n drieduizend keer zo klein als de dikte van een haar en drie keer zo klein als theoretisch haalbaar is.

Draaicirkel
‘Vijftien jaar geleden verkeerden we in de stellige overtuiging dat we niet voorbij die halve golflengte konden komen’, zegt Schmitz. ‘Maar toen zijn er trucs bedacht die in de basisliteratuur niet voorkomen.’ Dat zijn optische kunstgrepen, zoals phaseshift, een soort verdraaiing van het licht, en chemische, zoals het gebruik van niet-lineair reagerende, lichtgevoelige lagen. ‘Kunst- en vliegwerk, maar het lukt wel.’

Draaicirkel
Een kleinere golflengte zou de details nog kleiner maken, en dus het aantal componenten op een chip groter. In principe is dat mogelijk – het elektromagnetisch spectrum is er, zegt Schmitz. Toch zal het niet makkelijk zijn om de wet van Moore op die manier voort te zetten, denkt hij. Het lastige is dat een kleinere golflengte meer energie betekent.

Draaicirkel
Kleinere golflengten zitten dieper in het ultraviolette licht, nog kleinere golflengten kunnen alleen worden behaald met elektronenstraling. En zoals gewoon licht voor de de huid geen kwaad kan, maar extreem uv-licht wel, zo stellen de kleinere golflengtes ook de chipsmachines voor problemen. ‘Je vraagt erom dat ze kapot gaan’, zegt Schmitz.

Draaicirkel
De fabrikanten doen uitvoerige pogingen daar oplossingen voor te vinden. Lenzen van nog zuiverder kwarts, lichtgevoelige lagen van ander materiaal. ‘Het zijn praktische problemen, dus het kan goed zijn dat de fabrikanten die oplossen’, zegt Schmitz. ‘Maar ze moeten steeds beter hun best doen. De investeringen worden veel hoger.’

Draaicirkel
Is dat het waard? Lang niet altijd, zegt Schmitz. ‘Het hoeft niet altijd kleiner. Niet iedere chipstoepassing heeft heeft tien miljard transistoren nodig.’ Beenakker: ‘Dus waarom zou je zo’n chip dan kleiner maken? Een vierkante centimeter past al bijna overal in.’

Draaicirkel
Maar het moet toch steeds sneller? De snelheden van microprocessoren in computers zijn toch dankzij die verkleining van de transistoren (waardoor er meer op een chip passen) van kilohertz naar gigahertz gegaan, oftewel miljarden berekeningen per seconde? Dat is wel zo, zegt Schmitz, maar de machines die dat tempo nodig hebben, zijn uitzondering. In strijkijzers of wasmachines heb je die snelheden niet nodig. ‘Of neem deze Segway’, wijst hij naar de elektrostep in zijn kamer. ‘Er zit slimme elektronica in om het evenwicht te bewaren, maar die hoeft niet snel te denken. Tien keer per seconde is goed genoeg.’

Draaicirkel
Er zijn, behalve het verder verkleinen van de componenten, nog veel andere manieren om chips te verbeteren, zeggen Beenbakker en Schmitz. Minder ruis zou prettig zijn, of een levensduur van twintig jaar, een lager verbruik van grondstoffen tijdens de fabricage, een lagere energieconsumptie tijdens gebruik. Specifieke toepassingen hebben specifieke eisen: de beeldsensor van een camera van een mobiele telefoon vergt een goede kleurherkenning, de belchip vergt een laag energieverbruik.

Draaicirkel
‘Er is more than Moore’, zegt Schmitz. Het hoeft niet altijd kleiner. Ook het ontwerp van de chip, de organisatie van transistoren en andere componenten, kan nog een hoop efficiëntie opleveren. Fabrikant AMD reorganiseerde een chip zo, dat die met de helft van de componenten nog steeds hetzelfde kon. Volgens Schmitz zijn de meeste van de huidige chips ‘haastwerk’, omdat alle geld en tijd tot dusver zijn gaan zitten in het najagen van het kleiner-en-dus-meer-op-een-vierkante-centimeter-adagium, en veel andere mogelijke verbeteringen zijn blijven liggen. ‘Als Intel straks ophoudt met dingetjes kleiner maken, merk je daar tien jaar niets van. Al die tijd zal de innovatie net zo hard doorgaan, dankzij die andere verbeteringen.’

Concorde

Concorde
Het is te vergelijken met de ontwikkeling van de burgerluchtvaart. Ook daar heeft zich een soort wet van Moore voltrokken. De kruissnelheid is sinds 1903 gestaag toegenomen, totdat begin jaren zestig de geluidsbarrière een economisch onoverkomelijke horde bleek – de Concorde is daarvan het bewijs. Maar na het bereiken van de praktisch maximale snelheid duurde het nog tien jaar voordat het efficiëntste passagierstoestel met die snelheid vloog, de Boeing 747, zegt Schmitz. ‘En nog steeds is er ontwikkeling in efficiëntie, terwijl de snelheid niet meer omhoog gaat. Dat zul je ook zien bij de chips.’

Concorde
In de scheepvaart was er na een eerste periode van scherpe innovatie zelfs een tweede periode waarin de wet van Moore opging. Eerst was er de capaciteitsstijging van houten schepen, in de 19de eeuw volgde een tweede efficiëntieslag met stalen schepen. Is zo’n tweede slag, dankzij andere materialen bijvoorbeeld, met chips ook voorstelbaar?

Concorde
Er lijkt geen materiaal dat silicium kan verslaan, zegt Beenakker. Er wordt wel gesproken over vervormbare, organische (plastic) chips, maar die zijn vooralsnog echt ‘minderwaardig’. Ze geleiden de stroom veel minder goed en vergaan onder invloed van vocht en licht. Wel zouden combinaties van silicium en plastic interessant zijn, denkt Beenakker. ‘Dat opent nieuwe mogelijkheden, bijvoorbeeld in medische toepassingen.’

Concorde
Een andere grote doorbraak, aldus Schmitz, zou de driedimensionale productie van chips zijn. Nu blijft alles in het platte vlak. Als de ruimte daarboven ook benut kon worden, zou er een explosie van nieuwe mogelijkheden ontstaan. Een chip wordt dan een chunk, die zo uit de printer zou rollen. ‘Alleen hebben we nog geen idee hoe je die zou moeten maken’, zegt Schmitz. ‘De lithografie is vooralsnog de enige manier.’

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden