Chipmaker Nvidia was vorige week (eventjes) het waardevolste bedrijf ter wereld en grootmachten gebruiken de toegang tot chips als geopolitieke troef. Hoe maken wetenschappers ze eigenlijk?
Wapens, duurzame energie, zelflerende computermodellen, elektrische auto’s, slimme beveiligingscamera’s; het is allemaal niets zonder de chip. Hoe geavanceerder de chip, hoe innovatiever de producten die je kunt produceren.
En dus is het afsnijden van de toevoer van (supergeavanceerde) chips of de machines die ze maken een troef in internationale conflicten. De Verenigde Staten kwamen vorige week nog met wetsvoorstellen om Amerikaanse investeerders te verbieden geld in Chinese chiptechnologie te steken, uit angst dat het land hiermee (gevaarlijke) tech ontwikkelt. In het Westen is chipverkoop aan Rusland al anderhalf jaar verboden, maar het land probeert ze met tussenhandelaren uit alle macht alsnog binnen te halen – in de Russische raketten die Oekraïne bestoken zijn Nederlandse chips aangetroffen.
De omzet van het Amerikaanse Nvidia verdubbelde in het vorige fiscale jaar tot zo’n 57 miljard euro en zal dat naar verwachting dit jaar wéér doen. De chipmaker stootte Microsoft vorige week (eventjes) van de troon als waardevolste bedrijf ter wereld. Hoewel de omzet van het Nederlandse ASML (het op één na waardevolste bedrijf van Europa) dit jaar voor het eerst in lange tijd wat daalde, zegt het bedrijf flink te gaan investeren omdat het in 2025 een enorme hoeveelheid bestellingen verwacht.
Wereldwijd zullen bedrijven tot 2030 een biljoen dollar in chips investeren, schat adviesbureau McKinsey. Aangemoedigd door overheden zijn chipfabrikanten verwikkeld in een krankzinnige wedloop om nog kleinere en nog snellere chips te maken – maar de vraag is of het nog (veel) pietepeuteriger kan. Onderdelen van deze technologische hoogstandjes zijn al net zo smal als de dna-strengen in onze cellen. Hoe krijgen de makers dat voor elkaar?
Over de auteur
Simoon Hermus is techredacteur voor de Volkskrant. Ze schrijft onder meer over big tech, a.i., sociale media en games.
Een chip kun je – sterk versimpeld – zien als het brein van een elektronisch apparaat. Apparaten ‘denken’ in een binaire taal die uit een ellenlange reeks enen en nullen bestaat. Dit werkt via schakelaars of transistors, die een signaal geleiden of blokkeren: 1 of 0. Hoe meer transistors er op je chip passen, hoe meer rekenkracht je hebt. Al in de jaren zeventig had men een vrij vergevorderd idee van hoe kunstmatige intelligentie (AI) moest werken, maar er was simpelweg niet genoeg rekenkracht (en data) om modellen te ontwikkelen en trainen.
De eerste chips uit de jaren zestig hadden enkele tientallen transistors. ‘Maar’, riep Gordon Moore, een van de oprichters van chipmaker Intel, ‘die hoeveelheid zal elk jaar verdubbelen.’ De wet van Moore was geboren. Ruim vijf jaar later temperde hij de verwachtingen iets met een verdubbeling per twee jaar, maar toch: hij had gelijk. In 1971 pasten er zo’n tweehonderd transistors in één vierkante millimeter, nu zijn dat er 130 miljoen. In 2022 verklaarde de baas van chipmaker Nvidia de wet dood. Daar is niet iedereen het mee eens, maar ook Moore wist: er komt een moment dat we echt niet kleiner kunnen.
De eerste transistor was ongeveer een centimeter groot, als een dobbelsteen. De kleinste transistor die nu in gebruik is: 20 nanometer. Een A4’tje is 75 duizend nanometer dik. Een rode bloedcel is 7.000 nanometer breed. De transistor van nu is het best te vergelijken met de breedte van een dna-streng in een lichaamscel.
Waar het maken van een chip vroeger nog best met één team ging, is het proces inmiddels in deelgebieden opgesplitst. Die zijn stuk voor stuk zo gecompliceerd dat de TU Eindhoven mensen met speciale masterprogramma’s opleidt om het geheel nog te kunnen overzien. Hier volgt dus een versimpelde weergave van hoe wetenschappers een chip maken – zij doorlopen het proces nog van begin tot eind om nieuwe toepassingen te onderzoeken.
Het maken van een chip begint met vooronderzoek. Wat is het doel van de chip? Hoeveel stroom mag hij verbruiken? Welke temperaturen moet de chip kunnen doorstaan? In deze fase stel je hoge eisen, je kunt later altijd nog wat inbinden.
Na het opstellen van een wensenlijst is het tijd om het circuit te ontwerpen, het pad dat de elektriciteit straks door de chip aflegt. Dit doe je niet in één keer, je breekt het geheel op in kleinere blokjes. Met enorme rekenmodellen test je de haalbaarheid van je plannen – dit doe je eerst grof, met aannamen en inschattingen, om vervolgens steeds preciezer te onderzoeken wat mogelijk is. Je kijkt bijvoorbeeld hoe snel signalen kunnen worden doorgegeven en of de boel niet te heet wordt en er allerlei verbindingen doorbranden.
Zodra je een goed genoeg beeld hebt van hoe het circuit eruit moet zien, kun je de lay-out van de chip ontwerpen. Dit hoef je niet met de hand te doen. Er zijn speciale computerprogramma’s die aan de hand van modellen een geweldig complexe blauwdruk ontwikkelen van iets dat haast op een stad lijkt – de transistors als gebouwen met meerdere verdiepingen en minuscule stukjes metaal die ze als wegen met elkaar verbinden.
Deze lay-out komt heel precies. Bepaalde typen transistors mogen niet te dicht bij elkaar zitten omdat ze elkaar dan beïnvloeden; de signalen lekken dan een beetje in elkaar over. Anderzijds mogen ze niet te ver uit elkaar zitten omdat de elektronen die door draden schieten energie verliezen. Daarbij maken te lange wegen tussen de transistors de chip gevoelig voor stof. Omdat de onderdelen van chips zo klein zijn, kan een dwarrelend stofdeeltje inslaan als een meteoriet en zo een hele draad onbruikbaar maken.
En hoewel chips in een omgeving worden gemaakt waar stof op elke manier wordt uitgebannen – daar komen we zo nog op – gaan fabrikanten er altijd van uit dat er een paar transistors worden afgesneden. Op computers zie je dit weleens: dan staat er dat het apparaat 100 GB geheugen heeft, maar is het in de praktijk 105; er is 5 GB extra gemaakt om te compenseren voor eventueel transistorverlies.
Ongeveer 90 procent van de chips wordt gemaakt van silicium – Silicon Valley is hiernaar vernoemd. Het is een mineraal dat eruitziet als zand. Dit wordt tot een dikke boterhamworst geperst met een doorsnede van zo’n 30 centimeter. Van die worst snijdt men dunne plakjes, wafers, die perfect glad worden gepolijst. Op een cirkelvormige plak passen tot wel 70 duizend chips. De wafer wordt voorzien van een lichtgevoelig laagje, waardoor het materiaal bij blootstelling aan uv-licht makkelijker oplosbaar is – waarom dat belangrijk is, staat in de volgende stap.
De cleanroom is de plek waar de wafers worden omgetoverd tot chips. Omdat een minuscuul stofdeeltje al rampzalige gevolgen kan hebben, dragen de mensen die hier werken beschermende pakken, wordt de lucht voortdurend gefilterd en gebruiken ze kladpapier dat speciaal is ontworpen om geen microscopisch kleine snippers te verliezen.
Hier begint een proces dat maanden kan duren. De wafers gaan door de machines, waar de chip laagje voor laagje wordt opgebouwd. Nu komen de machines van ASML in beeld: hierin worden de chips blootgesteld aan speciaal uv-licht, om zo de blauwdruk van de chip op het materiaal te kunnen schetsen. Hoe nauwkeuriger dit proces kan worden uitgevoerd, hoe meer transistors er op de chip passen en hoe groter de rekenkracht is.
Hierna volgt een proces waarin enerzijds met chemicaliën of bepaalde gassen het materiaal wordt verwijderd dat door uv-licht is gemarkeerd, en anderzijds juist (metaal)laagjes worden toegevoegd. De metaallaagjes fungeren als elektrische geleiders en kun je min of meer zien als de ‘wegen’ op de chip.
Door het bestralen, etsen en toevoegen van materiaal wordt de chip laagje voor laagje opgebouwd. Een chip kan tot uit wel honderd lagen bestaan. Omdat een piepklein foutje ergens in een van de lagen de hele chip onbruikbaar kan maken, wordt voortdurend getest of alles volgens plan verloopt.
Eigenlijk is de testfase een stap die constant terugkeert in het hele proces. Aanvankelijk worden rekenmodellen en AI ingezet om in te schatten of een idee haalbaar is en om processen te simuleren. Het gebruikte materiaal wordt getest. En ook in de cleanroom wordt steeds gekeken of alles nog goed verloopt. Hiervoor worden vaak onderdelen van de chip geïsoleerd, om te zien waar een eventueel probleem zit.
Zeker bij de productie van een chip met nieuwe technologie gaat er vaak nog wat mis. Foutjes moeten zo snel mogelijk worden opgespoord, want als een chip door alle stappen is gegaan en uiteindelijk niet blijkt te werken, kan het maanden duren voor er weer een nieuwe, verbeterde lading klaar is. Toch gebeurt dit vaak een of meerdere keren. Dit houden bedrijven geheim, want het herstellen van zo’n fout kost ontzettend veel geld en dat zien de aandeelhouders niet graag.
Met een diamant worden de chips uit de wafer gesneden. Afhankelijk van de grootte van de chips zijn dit er enkele tientallen tot duizenden. De uitgesneden chips worden in een verpakking gestopt die koelvloeistof bevat om oververhitting te voorkomen, en die aan de onderkant kleine metalen pinnetjes heeft om te worden verbonden met de rest van de telefoon, televisie of computerserver waarvoor-ie bestemd is.
De chip is af!
Dit verhaal is geschreven met hulp van wetenschappers van de TU Eindhoven:
Peter Baltus, hoogleraar en hoofd van de micro-elektronica onderzoeksgroep
Kevin Williams, hoogleraar hightechsystemen en wetenschappelijk directeur High Tech Systems Center
Jeroen Voeten, hoogleraar elektronische systemen
Georgi Radulov, universitair docent elektronische dataconversie
Elles Raaijmakers, onderzoeker elektrotechniek
Rainier van Dommele, laboratoriummanager en onderzoeker elektrotechniek.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant