‘Wet van Moore kan nog 30 jaar vooruit’ | Technisch Weekblad
Achtergrond

‘Wet van Moore kan nog 30 jaar vooruit’

Europa moet de komende jaren tientallen miljarden euro’s in een eigen chipindustrie steken om geen vazalstaat van China te worden. Dat is de les die beleidsmakers zo snel mogelijk moeten trekken uit het huidige chiptekort. Volgens hoogleraar Integrated Circuit Design Bram Nauta (Universiteit Twente) is het daarvoor belangrijk dat politici begrijpen dat innovatie in micro-elektronica nog lang de motor van technisch vooruitgang zal blijven.

Nauta is de geestelijk vader van talrijke componenten van smartphones. Zijn ‘Nauta-schakeling’ zat in bijna alle merken smartphones en vormde de basis voor het bluetooth protocol. Hij is bezorgd dat politici zich door lobbyisten van hippe nieuwlichterij als quantum en fotonica in de luren laten leggen, terwijl het geopolitieke belang van micro-elektronica alleen maar blijft toenemen. Want de essentie van de Wet van Moore is de bouw van efficiënte chips, die vervolgens gebruikt worden om nog efficiëntere chips te produceren. Dat kan nog decennia doorgaan, voorspelt KNAW-lid Nauta, die in 2014 de Simon Stevin Prijs kreeg; de hoogste prijs voor technisch-wetenschappelijk onderzoek in Nederland. Maar daarvoor moet je wél investeren.

Wat is de oorzaak van het huidige chiptekort?

‘Chipfabrieken draaien altijd op volle toeren. Ze kosten tientallen miljarden euro’s om te bouwen; dat is dezelfde prijsklasse als kerncentrales. Om dat soort investeringen terug te verdienen heb je permanent een heel hoge benuttingsgraad nodig. Anders draait zo’n fabriek verlies. Die fabrieken zitten daarom altijd voor 90 à 95% vol en de markten zijn doorgaans redelijk voorspelbaar. En toen kwam plotseling de coronapandemie. Autofabrikanten annuleerden massaal hun chipbestellingen, omdat ze een dalende autoverkoop voorzagen. Tegelijk gingen veel mensen thuiswerken en steeg de vraag naar chips voor consumentenelektronica, zoals webcams, beeldschermen, modems en laptops, explosief. De chipfabrieken konden al amper aan die plotse vraag voldoen, toen de autofabrikanten weer terugkwamen, maar nu terecht achteraan de rij weer mochten aansluiten. Nu staan er dus hele auto’s weg te roesten omdat er iets banaals ontbreekt als een chipje om een achterruit te bedienen. Het paradoxale is dat de auto-industrie, altijd die zo allergisch was voor voorraden nu hele auto’s op voorraad heeft staan te verpieteren. Lean kan best werken als alles volledig voorspelbaar is, maar het is een beetje naïef om te denken dat dat altijd zo is.’

Taiwan produceert 90% van de high end chips op de wereld. Waarom zit die industrie juist daar?

‘Chipproductie is in feite een soort ambacht. Je kunt wel dure wafer steppers kopen bij ASML, maar het gebruik ervan luistert heel nauw. Om een metafoor te gebruiken: om een huis te bouwen volstaat het ook niet om het benodigde gereedschap te kopen. Je hebt ook bouwkundige knowhow nodig. Die knowhow is in de chipindustrie extreem belangrijk vanwege de lange doorlooptijd van chipproductie.

‘Het kost 8 à 9 weken om een chip te maken door een voortdurend opeenvolgende cyclus van lithografie, etsen en bakken. Alle laagjes worden atoom voor atoom opgebouwd. Als je aan het begin van zo’n cyclus de oven twee graden te warm had ingesteld, kom je er pas na 9 weken achter dat je alle batches die je in de tussentijd geproduceerd hebt kunt weggooien. Dat is een heel lang en duur leerproces, want ondertussen moet je wel je ASML-machine van meer dan €100 miljoen afschrijven. Ervaring is verschrikkelijk belangrijk in die keten, zodat je bestaande geoptimaliseerde installaties kunt klonen en net iets tweaken voor een nieuwe machine. Het is gigantisch duur en tijdrovend om zoiets van nul af aan op te bouwen. Er zijn steeds minder fabrikanten op de wereld die in staat zijn tot zulke massaproductie. Alleen TSMC in Taiwan, Samsung in Zuid-Korea en Intel in de VS hebben nu de kennis over het exact inregelen van zo’n high end fabriek. Kleinere spelers als Global Foundries en NXP maken minder geavanceerde chips.

‘Philips heeft trouwens TSMC, dat nu ruim een kwart van de wereldproductie verzorgt, in 1987 samen met de Taiwanese overheid opgericht. In 2008 verkocht het de laatste aandelen. Philips geloofde in die tijd, dat het een mediabedrijf wilde zijn, dus voor TSMC, maar ook voor ASML, was het toen eigenlijk een zegen om los te komen van een bedrijf dat niet echt meer in chipproductie wilde investeren.’

Hoe gevaarlijk is het voor de wereldvrede dat Taiwan daar vlak voor de kust van China bijna alle geavanceerde chips produceert, terwijl China ook nog eens een Amerikaans exportverbod van chiptechnologie moet opvangen?

‘Op dit moment gaat het goed, maar het is erg riskant. De troef van Taiwan is dat ze die chips maken. Als China nu Taiwan inlijft, is het verlies voor de VS zo groot, dat ze niet kúnnen accepteren. Als de chipproductie elders ook van de grond komt, verliest Taiwan zijn doorslaggevende strategische belang. De keten is nu geografisch opgeknipt. De productie van chips zit in Zuidoost-Azië, het chipontwerp zit in Amerika en de productie van chipmachines zit in Europa. Op dit moment hebben de continenten elkaar eigenlijk bij de ballen vast. Dat houdt elkaar in evenwicht.'

‘Nu China op last van de VS geen euv-machines van ASML mag importeren, moet het wel zelf gaan proberen om geavanceerde wafer steppers te bouwen. Het zal een jaar of 5 à 10 duren, maar straks kunnen ze het zelf. Dan is het machtsevenwicht verstoord. Ze kunnen al ontwerpen, als ze straks zelf kunnen bakken en de machines zelf kunnen maken, hebben ze de hele keten in handen, terwijl steeds meer beslissingen in een IoT door elektronica en sensoren genomen worden. Het is riskant om die productie volledig aan China over te laten. Je wilt niet dat onze auto’s op elkaar gaan botsen als we over mensenrechten beginnen.'

‘Het is cruciaal om voorop te blijven lopen. Economisch is het nu niet zinvol om een grote chipfabriek in Europa neer te zetten, maar politiek is het eigenlijk onmisbaar. Het is ook van groot belang dat de ontwerpindustrie groeit. Die werkt nu vooral voor automotive, maar we moeten er aan werken om hier ook chips voor AI te gaan ontwerpen en produceren. We hebben al bedrijven als IMEC en NXP die veel kunnen, maar we moeten ook de ambachtelijke knowhow om de nieuwste technologieën te kunnen toepassen onder de knie krijgen. Dat is heel duur en kost veel tijd. Maar als we het niet doen worden technologisch gezien een kolonie van China. De $50 miljard die president Biden in de Amerikaanse halfgeleiderindustrie gaat steken is genoeg voor enkele jaren. Als hij het goed doet is dat geen besteding, maar een investering. Dan is een katalysator, die je dubbel kunt terugverdienen. Het moet wel een winstgevende business worden. Dat zou Europa ook moeten willen.’

Micro-elektronica staat niet op de lijst van sleuteltechnologieën van de rijksoverheid. Waarom vind jij dat onterecht?

‘Veel mensen denken volstrekt ten onrechte dat de technische vooruitgang in micro-elektronica vanzelf gaat. Maar je hebt daar natuurlijk heel veel onderzoek en onderwijs voor nodig. Nu er een chiptekort is begint iedereen te beseffen dat dit toch wel belangrijk is. Maar enkele jaren geleden was micro-elektronica bijna een vies woord. Het was dan niet nano genoeg. Als ik dan zei dat mijn transistoren ook 7 nm groot waren klonk het: ‘Nee hoor, dat is toch micro.’ Terwijl heel veel nanodingen veel groter, zijn maar ze noemen het toch nano. Er zit in Nederland een heel zware quantum lobby en een heel zware fotonica lobby. Terwijl we op die gebieden eigenlijk geen industrie hebben. Er leven hooggespannen verwachtingen van deze domeinen, waarbij ik me bij fotonica nog wel kan voorstellen dat dat op redelijk korte termijn iets wordt. Je kunt daarvoor wel toepassingen in sensoren en lidar bedenken, die mensen ook zouden kunnen willen hebben.

‘Maar quantumcomputers zijn echt nog 30 jaar verder weg. Dat is nog fundamentele natuurkunde. Er wordt gedaan alsof quantumcomputers de oplossing zijn voor het einde van de Wet van Moore. Politici gaan dat geloven. Zo belanden quantumcomputers en geïntegreerde fotonica in de Nationale Wetenschapsagenda. Politici lossen graag relevante maatschappelijke problemen op met een heel hippe technologie. Maar de industrie om die hippe technieken dan te gaan maken ontbreekt. En neem nu de quantumcomputer. Die er dus nog lang niet is. Een quantumcomputer kan 8 + 8 niet eens uitrekenen. Hij geeft je dan alle mogelijke antwoorden en dan moet je eerst zelf gaan opzoeken wat het juiste antwoord is. Het is bruikbaar om codes te generen om encryptie te kraken, maar je kunt er geen vragen aan stellen want je krijgt dan alle mogelijke antwoorden. Weer een metafoor: zo’n quantumcomputer zet op allerlei A4-tjes alle mogelijke combinaties van zwarte stipjes. Op één zo’n blaadje komt dat toevallig een tekening van een vliegtuig. Je kunt dan roepen: “Kijk, de quantumcomputer heeft een vliegtuig uitgevonden.” Maar dat is toeval. Het lijkt op een vliegtuig, maar het is gewoon willekeur.

‘Het blijft belangrijk dat onze computers sommen kunnen oplossen. Dus zelfs al zou de Wet van Moore ophouden, dan zouden quantumcomputers elektronica niet kunnen vervangen. Maar elektronica wordt door de overheid en de NWO niet genoemd. Er gaat nu veel geld naar quantum en fotonica of naar softwarematige digitale technologie zoals encryptie. Ik vind het absurd dat elektronica er niet tussen staat. Je blijft het altijd nodig hebben en je kunt er maar beter goed in zijn. Maar ik heb nu de grootste moeite om subsidieaanvragen bij NWO in te dienen, omdat ik geen modieuze woorden gebruik. Bij onderzoek naar elektronica heb je een direct economisch belang terwijl zo’n quantumcomputer leuk fundamenteel onderzoek is, maar je bouwt er geen economie op. Echt niet. Elektronica is onze veiligheid en onze toekomst. Het is meer dan techniek en we moeten er veel meer geld in stoppen.

Het einde van de Wet van Moore is volgens jou dan ook nog niet in zicht. Hoe zit dat?

‘Er worden toch altijd weer dingen uitgevonden, die zorgen dat er toch weer meer transistoren op eenzelfde oppervlak passen. We zitten nu met transistoren van 20 bij 7 nm weliswaar aan de fysieke ondergrens van hoe klein een transistoren kan worden. Maar er zit nog veel ruimte tussen de transistoren. Als je een chip ziet als een boterham en de transistoren als hagelslagjes, is slechts 5% van de boterham bedekt met chocolade. Er is dus nog heel veel lege ruimte om te benutten. En dan zou je hagelslagjes ook nog eens rechtop kunnen zetten of in meerdere lagen neerleggen. De wet van Moore stelt dat iedere twee jaar de hoeveelheid transistoren op een chip verdubbelt. Nu de transistoren eigenlijk niet meer kleiner kunnen, kan de wet van Moore toch nog een jaar of 30 vooruit door hagelslagjes dichter bij elkaar te leggen en in meerdere lagen boven elkaar. Dat kunnen we nu nog niet, maar dat zijn geen fundamentele problemen. Om die kansen te benutten is alleen wel onderzoeksgeld nodig.’

Ontvang de nieuwsbrief

Meld je nu aan!

Gratis proefabonnement TW

Bestel nu 2 gratis proefnummers TW