Een nieuw en efficiënt chipontwerp dat nog meer vraagt van moderne chipmachines

De TU/e bestond net vier jaar toen wetenschappers van de Electronic Systems groep hun eerste computer bouwden. Esther (Eerste Schepsel Technische Hogeschool Eindhoven Rekenmachinegroep) kan een eenvoudig kat-en-muisspel spelen tegen een menselijke tegenstander op een speelveld van drie bij drie. Met enkele honderden transistors was de computer in staat om van zijn fouten te leren en beter te worden in het spel. Dat was in 1960.

Een moderne smartphone heeft een processor die uit zo’n tien miljard transistors bestaat. De rekenkracht ervan overtreft de prestaties van elke computer uit Esthers tijd.

Eindhoven speelt een cruciale rol in het mogelijk maken van deze enorme groei in rekenkracht van chips. Er zijn tientallen bedrijven in de regio die apparatuur of technologie ontwikkelen om de industrie vooruit te helpen, met ASML als bekendste voorbeeld.

Nederland domineert de Europese ontwikkeling van productieapparatuur voor chips.

“Nederland domineert de Europese ontwikkeling van productieapparatuur voor chips”, zegt Victor Sánchez Martín, directeur van het HTSC. “De regio Brainport Eindhoven is een zwaartepunt in de wereldwijde chipindustrie.” En de TU/e speelt daarin een centrale rol.

Fundamenteel onderzoek

De lijst van TU/e-onderzoeksprojecten voor de fabricage van chips is lang en divers. Onderzoekers kijken bijvoorbeeld naar het met een elektrisch veld vangen van minuscule deeltjes in de chipmachines om vervuiling op atomaire schaal weg te houden van het fabricageproces.

Ze onderzoeken supergekoelde motoren voor een nog snellere manipulatie van de zogenaamde siliciumwafers die als basis dienen voor de chips. Er wordt kunstmatige intelligentie ontwikkeld voor nauwkeurigere besturing van de wafers en voor het voorspellen van onderhoudswerkzaamheden aan de machines.

Zonder fundamenteel onderzoek komt innovatie in de chipmachinewereld tot stilstand. 

Er wordt onderzoek gedaan naar verbeterde lithografische technieken en naar verbeterde strategieën voor het ontwerp van chipmachines. Het lijkt alsof er geen stukje van de chipmachine is waar wetenschappers níet over meedenken.

Zonder fundamenteel onderzoek komt innovatie in de chipmachinewereld tot stilstand, zegt Jeroen Voeten, hoogleraar Electrical Engineering en wetenschappelijk directeur van HTSC. Uitkomsten van fundamenteel onderzoek zijn onzeker en projecten duren vaak jaren. Bedrijven kunnen dat risico niet altijd nemen. Volgens Voeten zijn het juist onderzoekers aan de universiteit die dit soort fundamentele uitdagingen kunnen aanpakken, vaak samen met de bedrijven.

Zo werkten Voeten en collega's aan een techniek om regelsystemen automatisch te implementeren in een chipmachine en ervoor te zorgen dat ze aan de juiste eisen voldoen, bijvoorbeeld wat betreft snelheid en timing. “Dit onderzoek duurde tien jaar, maar de technologie kwam uiteindelijk terecht in de nieuwste machines van ASML, waar ik heel trots op ben. Het bespaart de industrie nu veel ontwerp- en implementatietijd”, zegt hij.

Gespecialiseerde en efficiënte chips

De chipindustrie ontwikkelt zich sneller dan ooit en technologische innovaties kunnen chips nóg sneller en tegelijkertijd efficiënter maken. Als je naar de toekomst kijkt, dan kun je zien wat dit betekent voor de chipmachines.

Ten eerste zullen de circuits kleiner worden, van nanoschaal naar elementen die kleiner zijn dan een nanometer. Dit betekent dat de kleinste vervuilingen problemen kunnen veroorzaken voor het fabricageproces. Dit proces moet nog schoner wonen.

Ten tweede zullen de nu nog voornamelijk ‘platte’ chips langzaam groeien in de derde dimensie. Daarbij integreren ze nieuwe technologieën, zoals fotonica, dat licht in plaats van elektriciteit gebruikt om digitale signalen over te brengen. Dit maakt snellere en energiezuinigere computers mogelijk.

Ten slotte zullen toekomstige chips meer modulair zijn, bestaande uit vele kleine chips, zogenaamde chiplets. Elke chip kan worden gezien als een gespecialiseerd onderdeel van een chip dat een specifieke taak snel en veel efficiënter uitvoert, zoals gezichtsherkenning.

“Een grote uitdaging voor de hightechsector wordt het uitvinden van machines om de integratie van deze chiplets te fabriceren, te testen en te inspecteren”, zegt Voeten. “Om ze goed op elkaar aan te laten sluiten, is het nauwkeurig stapelen van die chiplets nodig, een techniek die we op dit moment nog niet beheersen.”

Chips en machines synchroon ontwerpen

Een belangrijke vraag is of onderzoeksresultaten uiteindelijk hun weg vinden naar de industriële praktijk. Volgens Sánchez Martín lukt dat alleen als er een hechte band is tussen het bedrijf en de universiteit. “Om een impact in de industrie te hebben, moeten beide partijen elkaar vertrouwen en een langetermijnrelatie en -strategie ontwikkelen”, zegt hij.

Wij geloven dat alle disciplines moeten samenkomen om de volgende generatie chips te ontwerpen en te produceren. De TU/e is de plek waar die werelden samenkomen.

De TU/e begon onlangs het Future Chips Flagship. Een onderzoeksinitiatief om de werelden van chips, apparatuur, processen en materialen te verenigen, zegt Voeten.

“Tot nu toe ontwikkelden deze werelden zich nogal onafhankelijk van elkaar. Wij geloven dat deze disciplines onvermijdelijk moeten samenkomen om de volgende generatie chips te ontwerpen en te produceren”, zegt hij. “De TU/e is de plek waar die werelden samenkomen en waar we het nieuwe talent gaan opleiden dat hiervoor nodig is.”