DEBAT: Chipproduktion i EU vil kræve langt flere ingeniører og stærkere infrastruktur

Hardwaren bag internettet, AI, IOT, PC’er, 5G, mobiltelefoni, styresystemer til biler, transportsystemer, spilkonsoller, grafikkort, og hvad har vi, er integrerede elektroniske halvlederkredsløb, de såkaldte mikrochips. Virksomhederne i Europa har været vant til, at det var noget, man bare kunne bestille i Østen som led i globaliseringens arbejdsdeling, hvor produkter bliver produceret dér, hvor det er billigst at fremstille dem.

Men så kom corona, og vigtige udskibningshavne i Kina blev lukket, mens et containerskib satte sig på tværs i Suezkanalen. Den perfekte storm havde ramt forsyningskæden til noget, som skulle vise sig at være en såkaldt ‘node’-teknologi, dvs. en teknologi, som mange andre teknologier og produkter er afhængige af.

Som menige forbrugere har vi oplevet det som enorme ventetider på nye elbiler, computere og playstations under juletræet i den netop overståede jul. Det var noget af en øjenåbner, for mikrochips er tilsyneladende en strategisk vare, som industrivirksomheder i Europa ikke bare kan undvære fra den ene dag til den anden ligesom adgang til energi og råstoffer. Alt skal jo på nettet i disse dage, køleskabe, varmepumper, radiatortermostater, så vi kan styre det hele fra en app på vores mobiltelefon.

De fleste chipfabrikker ligger i Østen og i USA, men ikke mange i EU. Selv et land som Israel, som har en betydelig våben- og elektronikindustri, har selvfølgeligt fundet ud af, at det er kritisk vigtigt ikke at være afhængige af produktion af så strategisk vigtige komponenter i udlandet. Frihandelen i verden er også under pres pga. den øgede rivalisering mellem stormagterne, Kinas raslen med sablen over for Taiwan, hvor en af verdens største mikrochip foundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) ligger og forsyner vesten med mikrochips.

Manglen på chips kan således vise sig at være en alvorlig hindring for EU-Kommissionens ønsker om øget digitalisering i Europa. Selv den grønne omstilling er i fare, for selvfølgeligt indgår avancerede digitale styresystemer også i f.eks. vindmøller. EU-Kommissionen er da også kommet på banen og gået i forhandlinger med amerikanske Intel om størrelsen på de EU-subsidier, der skal til, for at Intel vil bygge en chipfabrik på europæisk jord, samt søgt at danne en alliance mellem de største europæiske spillere, tyske Infineon, franske STMicroelectronics og hollandske NXP og ASML.

Intel vil gerne satse stort – rigtig stort endda – for at genvinde markedsandele fra føromtalte TSMC og Samsung i Sydkorea og etablere en fabrik til den næste generation af chipteknologi, den såkaldte 2 nm-node, som endnu ikke er færdigudviklet.

Noget må gøres i EU. Så hvorfor bygger vi ikke bare nogle flere chipfabrikker i Europa selv? Hvor svært kan det være? Det er megasvært, det vil tage mange år, og vi er nok nødt til arbejde sammen om det i EU for at komme i mål. Det kræver en strategisk satsning og massive investeringer, lidt ligesom vi i Danmark tilbage i 1980’erne besluttede at satse på vindenergi.

Målet med denne artikel er at gøre læserne lidt klogere på, hvad vi er oppe i mod rent teknologisk. Hvor vild er teknologien, der skal til? Jeg kan allerede nu afsløre, at den er meget vild. De mest avancerede mikrochips er nok noget af den ypperste teknologi, som menneskeheden har frembragt.

Lidt historie. Hele chip-eventyret og den digitale revolution begyndte i 1970’erne efter opfindelsen af metaloxid-halvlederteknologi og MOSFETen (Metal Oxide Field Effect Transistoren) af Martin M. Atella fra det amerikanske Bell Laboratories i 1960. Denne transistorteknologi erstattede de såkaldte bipolære transistorer med en arkitektur, hvor strømmen i en doteret Si kanal mellem en ‘source’ og en ‘drain’-terminal kunne afbrydes med en påtrykt spænding på en tredje metallisk gate terminal i forhold til ‘source’.

Det skulle sidenhen vise sig, at den enorme fordel ved denne arkitektur var, at den egnede sig rigtig godt til integration. På samme stykke silicium wafer (tynd skive) kunne man med litografiske teknikker og sekvenser af ætse og deponeringsteknikker fremstille et elektronisk kredsløb uden brug af eksterne komponenter. I begyndelsen blev teknologien brugt til simple logiske gates, f.eks. AND, OR, NAND, osv., hvor et spændingsniveau på 5 volt symboliserede logisk 1, mens 0 volt symboliserede logisk 0.

Teknologien migrerede dog hurtigt over i forbrugerelektronik, da f.eks. transistorradioerne erstattede de gamle rør-radioer i slutningen af 1950’erne. De fleste kunne se, at det var smart, og ville have mere. Så gik det ellers hurtigt, drevet af den kommercielle efterspørgsel på rå regnekraft i de såkaldte supercomputere f.eks. til vejrforudsigelser, kompakte lommeregnere og personlige computere. Op gennem 1980’erne og 1990’erne steg antallet transistorer integreret på en chip voldsomt.

I 1965 skrev udviklingsdirektøren hos Fairchild Semiconductor, Gordon E. Moore en artikel i et fagblad med titlen ‘Cramming more components onto integrated circuits’, hvor han bl.a. skrev: »Integrated circuits will lead to such wonders as home computersor at least terminals connected to a central computer, automatic controls for automobiles, and personal portable communications equipment …«

Desuden forudsagde han, at antallet af transistorer i en integreret chip ville stige med ca. en faktor 2 pr. år i en forudsigelig årrække, dvs. en eksponentiel vækst i antallet af transistorer pr. chip med tiden. Det vilde er, at denne forudsigelse fra 1965, kendt som ‘Moores lov’ viste sig at holde stik nogenlunde indtil i dag – for slet ikke at tale om hans forudsigelse af den personlige computer, selvkørende biler og mobiltelefoner.

Denne lovmæssighed drevet af efterspørgsel på forbrugerelektronik har betydet, at vi har vænnet os til, at computere kan mere og mere, og bliver billigere over tid, ja elektronik er nærmest blevet til ‘let fordærvelige varer’. Som kuriosum kan nævnes, at det omvendte er tilfældet for udvikling af medicin, hvor antallet af lægemidler pr. tilført krone til udvikling falder eksponentielt – en lovmæssighed, som lidet flatterende har fået betegnelsen ‘Erooms lov’, dvs. Moore stavet bagfra. Den resulterer i de evige prisstigninger på medicin i sundhedssektoren over tid, som regionerne skal betale for i stedet for at ansætte flere sygeplejersker og give dem mere i løn.

I 1972 kom Intels 4004, 4-bit CPU på markedet med en transistor count på et par tusinde transistorer i en 16 bens (DIL16) chipholder, en klokfrekvens på 750 kHz og en gatelængde på ca 10 µm. Længden af gaten er for de fleste MOSFET-transistorer den mest kritiske dimension (CD – critical dimension), der bestemmer, hvor hurtigt transistoren kan skifte mellem højt og lavt spændingsniveau.

State-of-the-art i dag er Apples A14 Bionic system-on-a chip (SoC), som integrerer seks 64 bit CPU-kerner, med hukommelses- og grafikenheder. Den findes i Apples iPad Air og iPhone 12, er designet af Apple men produceret af TSMC. Den fylder kun 88 mm2, og den har en transistor count på 11,8 milliarder transistorer og kan køre med en klokfrekvens på op til 3.1 GHz. A14 Bionic er baseret på den såkaldte 5 nm-node, en nomenklatur brugt i den årlige rapport, som udgives af brancheorganisation for halvlederindustrien, den såkaldte ‘International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)’ med fremskrivninger og anbefalinger for kommende generationer af teknologi.

Den nyeste kommercialiserede chipteknologi er således baseret på finFET transistor arkitekturen, hvor source-drain halvlederkanalen fremstår som en finne, kun 5 nm bred, således at gate-spændingen, der skal afbryde strømmen, kan påtrykkes på begge sidder af finnen. Fordelen er, at den såkaldte transkonduktans, dvs. strømændring pr. påtrykt gate-spænding bliver enormt høj med høj skiftehastighed til følge. For at begrænse energiforbruget og varmeudviklingen er logisk 1-spændingen blevet droslet ned fra de 5 volt i Intels 4004 chip til bare 0,85 V. TSMC har brugt ca. 80 litografi-trin til at fremstille chippen, hvoraf 11 er med den såkaldte ‘extreme ultra violet’ (EUV) belysningsteknologi. EUV-bølgelængden er 13,6 nm og genereres i et laser pulset tin plasma. Kun to fabriker i verden benytter sig af EUV-litografi, det er TSMC og Samsung.

På trods af at EUV-udstyr produceres af Hollandske ASML, findes der kun et EUV-udstyr i Europa, nemlig ved IMEC i Holland som bruger det til forskning. Et sådant udstyr koster i omegnen af 150 millioner dollars (ca. 1/30 del af Øresundsbroen) og afskibes i 40-fods fragtcontainere. Resten af en 5 nm-node-fabrik koster nok svarende til resten af Øresundsbroen. EUV er et væsentligt teknologispring i forhold til den tidligere ‘deep ultra violet (DUV)’-teknologi, hvor bølgelængden fra en pulset ArF-laser er 192 nm og således vil kræve mange flere litografi-steps for at opnå de samme kritiske dimensioner som med EUV. TSMC’s fab, der producerer A14 Bionic, er stort set fuldautomatisk for at mindske manuel håndtering og deraf følgende risiko for støvpartikler på chippen, som ville ødelægge udbyttet, det såkaldte ‘yield’.

Her er det værd at bemærke, hvor kritisk dette er med 80 litografi-trin. Selv hvis udbyttet er 99 procent for hvert enkelt trin, så vil det falde til bare 44 procent efter 80 trin, når man ganger op. 5 nm er allerede meget småt, faktisk svarer 5 nm til kun 10 atomlag i en Si krystal! Føj hertil at Si-materialet skal doteres, f.eks. med bor eller fosforatomer for at blive elektrisk ledende. Typiske doteringsgrader er 10^15-10^18 atomer pr. kubikcentimeter. Så i en højt doteret finFET kanal, 5 nm bred, 300 nm lang og 30 nm høj vil der kun være i omegnen af kun 45 donor-atomer, der skal sørge for, at kanalen forbliver elektrisk ledende. Eftersom dotering er en stokastisk proces, vil dette tal fluktuere fra kanal til kanal.

Maskerne til litografi med EUV er også specielle. De fremstilles i specielle materialer, der reflekterer EUV-lyset med et ønsket mønster og med brug af en endnu finere litografisk metode, den såkaldte elektron-stråle-litografi, hvor mønsteret skrives sekventielt med en højenergi elektronstråle på masken.

Intel vil altså gerne overgå denne teknologi og bygge en fabrik i Europa, der skal producere næste generation chips til den såkaldte 2 nm-node, som er meget tæp på den ultimative grænse i Moores lov, hvor enkelt atom- og kvanteeffekter begynder at spille ind for alvor. FinFET-arkitekturen skal formentlig erstattes af ‘gate-all-around FET (GAAFET)’-arkitektur, hvor de ledende kanaler er helt omgivet af gaten. Det vil kræve en enorm satsning og opbygning af knowhow, som vi ikke har i tilstrækkeligt grad i Europa i dag. Det tager tid alene at uddanne nok kvalificerede ingeniører.

På DTU uddanner vi ca. 15 fysikingeniører om året med speciale i mikro- og nanofabrikation, som kan begå sig i DTU’s renrum. De får typisk hurtigt job i den voksende skare af virksomheder, der bruger renrummet til udvikling og pilotproduktion af nanofabrikerede komponenter og overflader. Hvis vi skal satse på en chipproduktion i Europa, så er der noget der tyder på, at vi skal rampe op på de europæiske universiteter og se at få uddannet flere ingeniører for at opbygge den nødvendige europæiske infrastruktur, de teknologiske fødekæder og knowhow på området, der vil gøre de europæiske virksomheder mere robuste over for hick-ups i leverancerne af chips fra Østen.

Selvom målet om at bygge en 2 nm node-fabrik i første omgang måske mest vil bidrage til Intels konkurrenceevne på highend-mobiltelefoni området, så vil de afledte effekter på europæisk industri blive store – der vil med andre ord blive etableret et såkaldt ‘industrial common’ inden for nanofabrikation i Europa, som rigtig mange virksomheder i andre sektorer også vil få gavn af. DTU vil i hvert fald gerne bidrage hertil.