Een driesterrenkeuken voor computerchips

Wetenschappers ontwerpen er de processen om toekomstige generaties chips te maken, een werk dat vergelijkbaar is met het opstellen van de ingewikkelde recepten voor een driesterrenkeuken. Het is een werk ook dat steeds moeilijker wordt naargelang de onderdelen op de chips kleiner worden.

Imec (Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum) is wereldwijd een van de toonaangevende onderzoekscentra waar de technologie voor toekomstige generaties chips op punt wordt gezet. Dat gebeurt in samenwerking met de chipfabrikanten, maar ook met de bedrijven die de toestellen maken en de gebruikte materialen ontwikkelen. Samen gaan ze op zoek naar nieuwe en verbeterde processen om toekomstige chips te maken.

Zo’n proces kun je vergelijken met het uitvoeren van een recept om bijvoorbeeld een taart te maken. Maar dan wel een bijzonder complex recept, een heel precieze beschrijving van alle stappen die je moet doorlopen, van de manier waarop je de verschillende toestellen moet instellen, en van de ingrediënten die je nodig hebt.

De basis waarop je de chips maakt, de taartbodem, is een schijf silicium, ook wel wafer genoemd. De schijven die gebruikt worden in imec’s meest moderne cleanroom hebben een diameter van 300mm, en daarop kun je bv. 70.000 chips van 1mm² maken, of een 700-tal chips van 1cm².

In de cleanroom staan een hele reeks geavanceerde toestellen, die elk een stapje van het productieproces uitvoeren. Een volledig recept kan uit 250 stappen bestaan die samen een paar maanden kunnen vragen (imecs cleanroom functioneert 24 uur per dag en 7 dagen per week). Op het einde wordt de taart, de afgewerkte siliciumschijf, versneden en worden de individuele chips verpakt en getest.

Het basiselement van een chip is de transistor, een schakelaar die je aan of uit kunt zetten. Die transistoren zijn met elkaar verbonden tot eenvoudige circuits, zoals geheugencellen of logische poorten. En die worden op hun beurt weer verbonden tot steeds complexere gehelen, zoals circuits om getallen op te tellen of te vermenigvuldigen.

Al sinds het begin van de chipproductie slagen de fabrikanten erin om gemiddeld om de 18 maanden met een nieuwe generatie chips voor de dag te komen. Die bevat telkens dubbel zoveel transistoren als de vorige generatie tegen ongeveer dezelfde kost. Het is die trend die de Wet van Moore wordt genoemd, naar Gordon Moore, een van de stichters van Intel. Door die evolutie bevatten recente chips meer dan een miljard transistoren die maar een paar tiental nanometer groot zijn.

Om je een idee te vormen van wat dat concreet betekent, moet je je voorstellen dat je een chip van een halve vierkante centimeter zou vergroten tot een voetbalveld, een halve hectare. Dan zou dat hele voetbalveld bedekt zijn met blokjes, putjes, en draadjes die slechts een millimeter groot of dik zijn.

Bovendien bestaat zo’n chip nog uit laagjes. De onderste laag zijn de eigenlijke transistoren die in het silicium zijn gemaakt. Daar kunnen nog tot 10 lagen boven liggen. Die vormen een woud van metaaldraadjes die de transistoren verbinden tot complexe reken- en geheugencircuits.

In een typische stedelijke omgeving tel je in een kubieke meter lucht al vlug 35 miljoen stofdeeltjes groter dan een halve micrometer. Alleen al door te bewegen en te ademen en door het contact met onze omgeving, produceren wij zelf tot 5 miljoen zo’n deeltjes per minuut.  

Als we de vergelijking met ons voetbalveld doortrekken, dan zou dat betekenen dat de millimeterdunne draadjes voortdurend worden bekogeld met tienduizenden dikke hagelstenen. Na korte tijd hebben we dan natuurlijk geen enkele functionerende chip meer over.

Om dat te vermijden worden chips in een cleanroom geproduceerd waar zo weinig mogelijk stofdeeltjes rondzweven. In imec’s 300mm-cleanroom bv. wordt verse lucht door het plafond in de cleanroom geblazen. Dat plafond is voorzien van hoog-efficiënte HEPA-filters die deeltjes tot 0,3µm kunnen verwijderen. De lucht stroomt dan doorheen de ruimte en wordt via de geperforeerde vloertegels afgevoerd. De relatief hoge luchtsnelheid – tot een halve meter per seconde – verhindert dat stofdeeltjes afkomstig van machines of mensen zich ergens kunnen op vastzetten. Bovendien staat de cleanroom ook onder een lichte overdruk, een extra maatregel om stof buiten te houden. En om zoveel mogelijk te vermijden dat de mensen in de cleanroom zelf stofdeeltjes produceren, dragen ze aangepaste, stofvrije kledij.

Stel verder dat je op ons voetbalveld parallelle lijntjes moet uitzetten op een millimeter afstand van elkaar. Maar de lijntjes mogen elkaar nooit raken. Daarvoor moet je apparatuur hebben die geen enkele afwijking of trillingen vertoond. Om dat mogelijk te maken wordt de temperatuur en luchtvochtigheid in de cleanroom binnen zeer nauwe grenzen gehouden. Bovendien zijn het gebouw en de machines zo ontworpen dat er geen trillingen optreden.

Analisten voorspellen dat de wet van Moore zal aflopen, dat het niet langer mogelijk is om meer transistoren op een chip te krijgen. En wetenschappers zijn inderdaad al een tijdje bezig met transistoren ook sneller te maken in plaats van alleen maar kleiner. Daardoor zijn nieuwe chips nog altijd dubbel zo snel, alhoewel ze niet meer precies dubbel zoveel transitoren bevatten. De onderzoekers bij imec zijn er gerust in dat ze oplossingen kunnen bedenken voor nog een aantal toekomstige chipgeneraties. Die zullen erin bestaan om bijvoorbeeld met andere materialen te werken, of om de transistoren ook verticaal te stapelen. Tenslotte denkt men er ook aan om chips te voorzien van modules die op een andere manier rekenen. Voorbeelden zijn neuromorphische chips die de werking en de efficiëntie van onze hersenen nabootsen, of quantumchips die gebruik maken van quantumfysische eigenschappen om het rekenen nog vele malen te versnellen.