Zo worden computerchips kleiner, sneller en zuiniger

We verlangen steeds meer van onze computerchips. Ingenieurs en fabrikanten moeten alles uit de kast halen om in de toenemende vraag te voorzien. De opmars van chips voor kunstmatige intelligentie – AI – stelt de industrie intussen voor nieuwe uitdagingen. Wat is er nog mogelijk, waar ligt de grens en kan het ook duurzaam?

Hoeveel chips zitten er in de nieuwste auto’s, denkt u? Het antwoord: honderden, in sommige wel duizend. Wat van oorsprong louter mechanisch was, is de afgelopen jaren veranderd in een computer op wielen.

De auto is geen uitzondering. Chips – integrated circuits, of IC’s – worden in zo’n beetje alle apparaten gebruikt. Van stofzuiger tot vaatwasser en van elektrische fiets tot mobiele telefoon: de werking hangt af van de vernuftige en zeer complexe bouwwerkjes van halfgeleidermaterialen.

De komende jaren worden chips nóg belangrijker, weten experts. Niet in de laatste plaats door de huidige AI-revolutie. Alle software die teksten of plaatjes genereert, wordt getraind met speciale computerchips die zijn ontworpen voor het zwaardere werk, zogeheten GPU’s (graphics processing units). De behoefte aan AI-producten stijgt zo snel, dat bedrijven de vraag naar deze processoren bijna niet kunnen bijbenen – marktleider Nvidia (de ceo van het bedrijf staat op de foto boven dit artikel) passeerde onlangs zelfs Microsoft en Apple als het waardevolste bedrijf ter wereld.

Die groeiende, mondiale verslaving aan chips heeft een keerzijde. Met name AI-chips zijn ware energievreters. Nieuwe ontwerpen, zeker voor die AI-rekenaars, moeten chips tegelijk sneller, energiezuiniger en kleiner maken. Hoe krijgen bedrijven dit voor elkaar? Waar werken ze aan, en welke doorbraken staan op stapel, of hebben achter de schermen al plaatsgevonden? De Ingenieur duikt in de complexe wereld van de halfgeleiders: een industrie waarin wereldwijd honderden miljarden euro’s omgaan, en waarvoor enkele Nederlandse bedrijven sleuteltechnologieën leveren.

 

TREND 1: STEEDS MEER  TRANSISTOREN OP EEN CHIP

Een computerchip bevat miljarden transistoren, minuscule schakelaars op micro- of nanoniveau. Die maken met zijn allen mogelijk dat een processor ingewikkelde berekeningen uitvoert. Oorspronkelijk lagen de transistoren in een computerchip min of meer in het platte vlak. Decennialang werden deze transistoren steeds kleiner gemaakt, tot een fundamentele grens in zicht kwam. Dan werd er telkens weer een nieuw transistorontwerp bedacht, waarna de cyclus zich herhaalde. Tot op de dag van vandaag volgt de chipindustrie de zogeheten Wet van Moore. Die is genoemd naar de Amerikaanse chemicus en ingenieur Gordon Moore, een van de grondleggers van de hedendaagse computerindustrie. Hij zag in 1965 als eerste een wetmatigheid in de dichtheid van transistoren op integrated circuits. Iedere twee jaar verdubbelt het aantal transistoren op een chip ongeveer.

Toch loopt deze wet tegen zijn grenzen aan, zeggen experts tegen De Ingenieur. Op een bepaald moment kúnnen transistoren simpelweg niet meer kleiner. Het aansluiten van de transistoren met draadjes levert dan allerlei imperfecties op, zoals te grote verliezen, en dan verdwijnt het voordeel van de immer voortgaande miniaturisatie.

[...]

 

 

Dit is niet het volledige artikel. Het hele verhaal staat in De Ingenieur van juli 2024. Vind je dit interessant? Neem dan eens een proefabonnement van drie nummers voor 25 euro! Het beste techniekmagazine van Nederland en daarna zit je nergens aan vast.

 

TREND 2: COMBINEREN VAN CHIPS

Traditioneel voegden chipmakers alle componenten samen in de behuizing van één chip. Die aanpak heet system-on-a-chip. Een nieuwe aanpak is om verschillende soorten chips dicht bij elkaar te zetten en ze te laten samenwerken. Dat werkt volgens Jo De Boeck, chief strategy officer van het van oorsprong Belgische onderzoeksinstituut imec als een soort lego: van verschillende bouwblokken wordt één geheel gebouwd. Met deze aanpak splitsen fabrikanten de functies op in verschillende componenten – chiplets worden die genoemd. Dat heeft voordelen boven al die functionaliteiten op één chip proberen te  proppen.

‘We delen het complexe geheel dan op in elementaire functies’, legt De Boeck uit. ‘Dan kan bijvoorbeeld één chip het zware rekenwerk doen, terwijl een andere component zorgt voor een goede interface met de buitenwereld. Een ander blokje doet de draadloze communicatie, en weer een ander vormt het geheugen.’

Een voordeel van deze aanpak met chiplet-bouwblokken (zie de figuur hieronder) is dat fabrikanten de verschillende chips met de eigen optimale productietechniek kunnen maken. Dat levert minder fouten op en dus een hogere opbrengst. Nadeel is wel dat de verschillende chips op enige afstand zitten van elkaar en onderling met draadjes moeten worden verbonden. Het transporteren van elektrische signalen duurt dan langer dan wanneer alle functies op één chip zijn geïntegreerd.

[...]

 

 

TREND 3: CHIPS WORDEN ZUINIGER

Als er één trend is die de chipindustrie voortstuwt, is het wel kunstmatige intelligentie (AI). Die technologie is in de afgelopen twee jaar doorgebroken bij een breed publiek en dat biedt deze industrietak nieuwe kansen. Want iedere keer als iemand – zeg – ChatGPT een tekst laat opstellen, voeren computerprocessoren ergens op een server van OpenAI berekeningen uit. Nog veel meer computerarbeid zit trouwens daarvóór, in het trainen van de taalmodellen die al die handige chatbots en plaatjes-generatoren mogelijk maken. Daarvoor zijn hele rijen zogeheten GPU’s nodig, notoire stroomvreters.

De brede doorbraak van AI leidt dus tot een enorme toename in het elektriciteitsverbruik; een curve die de komende jaren alleen maar steiler dreigt te worden. ‘Wanneer je het gebruik van AI extrapoleert, dan is het energieverbruik ervan gewoon niet meer vol te houden’, zegt Jo De Boeck van imec. Daar moet nodig wat gebeuren, luidt de consensus in de industrie.

De eerste efficiëntieslag kan worden gemaakt door de algoritmen achter AI te verbeteren, zegt De Boeck. ‘Maar ook door de architectuur van de compute-engine een stuk efficiënter te maken. Dat ondersteunt dan een jarenlange tendens van steeds kleinere transistoren en betere verbindingen tussen de diverse  lagen in een chip.’

[...]

 

 

TREND 4: NAAR EEN DUURZAME CHIPPRODUCTIE

Hoewel computerchips het leven ontegenzeggelijk makkelijker hebben gemaakt, is er één onderwerp waar we niet omheen kunnen: de milieuvoetafdruk ervan. Dat sommige grondstoffen voor de chips uit vervuilende mijnbouw afkomstig kunnen zijn is bij de meesten wel bekend. De milieubelasting van de huidige productiewijze van chips is dat zeker niet. De verduurzaming van de productieprocessen is een enorme opgave, maar wel noodzakelijk.

Het produceren van chips draagt op drie manieren bij aan de opwarming van de aarde: door de gassen die ontsnappen uit de fabriek; door het enorme stroomverbruik van de chipfabriek; en ten slotte door de emissies van de processen die vóór of na de chipfabriek plaatsvinden.

Ook worden in een chipfabriek vele schadelijke stoffen gebruikt, met als meest opvallende: PFAS (poly- en perfluoralkylstoffen). Deze forever chemicals zijn zó stabiel, dat ze tot in lengte van dagen in het milieu achterblijven als ze niet goed worden verwerkt. Het is juist die stabiliteit die deze stoffen  zo geschikt maakt voor ingenieurs om mee te werken, vertelt Rolin. ‘PFAS zijn goed bestand tegen hoge temperaturen en agressieve chemicaliën. Ze zijn heel zuiver en laten nauwelijks stoffen los. Ze zijn vlamvertragend of zelfs vlamwerend.’ Gevolg is dat bijkans overal in de chipfabriek PFAS-materialen worden gebruikt.

De meeste bedrijven in de sector hebben inmiddels een routekaart opgesteld waarin ze beschrijven hoe ze duurzamer denken te gaan produceren, met minder uitstoot van broeikasgassen. De opgave van verduurzaming is immens. Omdat de sector groeit, maar ook omdat de halfgeleiderindustrie van nature  behoudend van aard is.

[...]
 

 

MEER LEZEN?

Lees het volledige artikel in het julinummer van De Ingenieur. Koop hier de digitale versie voor € 9,75 of neem een abonnement!

• Ik koop het digitale julinummer voor € 9,75
• Ik neem liever een abonnement

 

Openingsbeeld: De ceo van Nvidia, Jensen Huang, presenteerde eerder dit jaar de nieuwste AI-krachtpatser. De vraag naar AI-chips is geëxplodeerd. Goed voor de beurskoers van Nvidia, maar dit soort chips gebruiken enorm veel stroom, dus nieuwe ontwerpen zullen energiezuiniger moeten. Foto Nvidia