De bekende chipwetmatigheid van Intel-grondlegger Gordon Moore ligt weer eens onder vuur. Natuurkundige barrières die nu in beeld komen, zouden echt onneembaar zijn. Wat nu?
De Wet van Moore nadert zijn 51-jarige jubileum, maar de vraag is of het die echt gaat halen. De wetmatigheid, in 1965 geformuleerd door Gordon Moore, stelt dat het aantal transistors op een chip ieder jaar verdubbelt. Deze voorspelling is gebaseerd op praktijkobservaties van chipontwikkeling. Moore heeft zijn inzicht in 1975 nog bijgesteld; naar elke twee jaar een transistorverdubbeling. Sindsdien is die lijn grofweg gevolgd, waarvoor chipfabrikanten enorme verkleiningsslagen hebben doorgevoerd.
Klein, kleiner, krap
Nu komen de grenzen in beeld van deze verkleining van transistors op chips. In de afgelopen jaren zijn eerder al barrières opgedoemd en vervolgens geslecht. Nieuwe materialen om chipcomponenten van te maken, combinaties van exotische materialen, nieuwe toepassing van bestaande materialen, en andere wetenschappelijke doorbraken zijn bewerkstelligd en daarna benut. De inzet van nieuwe technieken loopt nu echt tegen de muur, schrijft techblog Ars Technica.
Zo is er grote druk op de lithografie waarmee chippatroen worden geëtst in de silicium plakken (wafers) waaruit complete chips aan het einde van de productielijn worden gesneden. Huidige chips met een transistorlijnmaat van 14 nanometer (nm) worden gemaakt met lichtstralen op een golflengte van 193 nanometer. Dit grote verschil – een grove beitel om een zeer fijne groeve te etsen – zorgt voor extra complexiteit in het productieproces.
De Wet van Rock
Die complexiteit vertaalt zich in tijd en kosten. Zo besteedt Intel jaarlijks vele miljarden aan de nieuwbouw van fabrieken en het moderniseren van zijn bestaande productiefaciliteiten. Een concurrent als AMD heeft het afgelegd wat het bezit en de financiering van eigen fabrieken betreft. De Wet van Rock (vernoemd naar Intel-investeerder Arthur Rock) komt hier om de hoek kijken: de kosten van een chipfabriek verdubbelen elke vier jaar. Afgelopen jaar is de prijs voor een nieuwe productiefaciliteit voor chips al uitgekomen op veertien miljard dollar.
Chipbedrijven en onderzoekers werken al jaren aan diverse manieren om de opdoemende barrières te slechten, of te ontwijken. Over het algemeen wordt etsen met extreem ultraviolet (EUV) licht (op 13,5 nanometer) gezien als waarschijnlijke uitweg. De ontwikkeling hiervan loopt echter al heel erg lang. Terwijl de Nederlandse fabrikant van chipproductiemachines ASML optimistisch is over de potentie van EUV-machines, brengt ook dat weer aanmerkelijke kosten met zich mee. Wellicht is het technisch mogelijk om te blijven voldoen aan de Wet van Moore, maar is het de vraag of dat zich wel loont. ‘Ik denk dat we eerder een gebrek aan geld hebben dan een gebrek aan natuurkunde’, zegt Daniel Reed, computerwetenschapper en onderzoekshoofd aan de Universiteit van Iowa tegen wetenschappelijk vakblad Nature.
Energieprobleem
De ontwikkeling van nieuwe materialen, exotische materialen en nieuwe manieren om die toe te passen voor chipproductie is een jarenlange inspanning op hoog wetenschappelijk niveau. Ontwikkelperiodes van meer dan tien jaar zijn zeker niet ongebruikelijk. EUV is al minstens zo lang in de maak. Bovendien leeft er twijfel over de bruikbaarheid en effectiviteit van transistors die ver onder de huidige 14 nm zouden zitten, aldus Ars Technica. Zulke twijfels zijn eerder, op hogere nm-niveaus, al opgetreden en uiteindelijk wel weggenomen door nieuwe technologische ontwikkelingen.
Een bijkomende complicatie is echter het energieverbruik plus de lekkage van vermogen, die dan weer de benodigde energie opdrijft. Daarbij speelt ook koeling weer een grote en groeiende rol. Steeds kleinere transistors die steeds dichter op elkaar zitten, zijn lastiger van energie te voorzien, kunnen met lekkage nabijgelegen componenten weer storen, en allen zijn lastiger te koelen. Wetenschappers onderzoeken radikale andere methodes om dit aan te pakken, zoals bijvoorbeeld het elektronische bloed waar IBM-onderzoekers in Zürich aan werken.
Uitstel voor nanometer-verkleining
De voortekenen van het dreigende einde van de Wet van Moore zijn al zichtbaar. Intel was oorspronkelijk van plan om dit jaar over te schakelen van de huidige 14 nm naar 10 nm. Op eerstgenoemde maat worden de huidige Skylake-processors geproduceerd, terwijl de volgende verkleiningsstap voor de aankomende Cannonlake-chips zou zijn. Dat plan is afgelopen zomer geschrapt: Intel maakt een derde processorgeneratie op 14 nm.
Het wijkt daarmee af van zijn tick-tock-strategie waarmee het een bestaand chipontwerp op kleinere nm-maat produceert en dan laat volgen door een flink vernieuwd ontwerp op diezelfde maat. De overstap naar 10 nm zou nu in de tweede helft van 2017 moeten plaatsvinden; een uitstel van grofweg een jaar. Eerder bleken de stappen naar 22 en vervolgens 14 nm al wat problematischer dan voorzien.
Meer dan Moore
Naar verwachting komt er deze maand officieel een einde aan de Wet van Moore, of in ieder geval aan de huidige formulering daarvan. De door velen inmiddels vergeten bijstelling van 1975 kan een vervolg krijgen, of er komt een heel ander stramien waar de chipindustrie zijn inspanningen op zal richten. Het voor deze maand verwachte einde zit ‘m in de officiële publicatie van de International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), die wordt gevormd door documenten geproduceerd door experts in de chipindustrie.
Voor die roadmap geldt al de disclaimer dat het puur een technologische inschatting is die geen rekening houdt met commerciële overwegingen. De nieuwe roadmap is niet gebaseerd op de lijn van de Wet van Moore en neemt in plaats daarvan een bredere aanpak. Chiptechnologie, chips, applicaties en zelfs complete systemen en apparaten worden in ogenschouw genomen. De noemer voor deze meer holistische benadering is dan ook More than Moore. Volgens vakblad Nature kan chipinnovatie voortaan een stuk interessanter worden. De daaruit voortkomende ict-ontwikkeling kan namelijk veelzijdiger en genuanceerder worden, maar ook weer gecompliceerder.
