Uanset hvor du kigger hen, er her skinnende rent.
Det er umuligt at få øje på selv det mindste støvfnug eller menneskehår.
Vi befinder os i et af verdens mest avancerede renrum, der breder sig over 7.200 kvadratmeter hos forsknings- og udviklingscentret Interuniversity Microelectronics Centre (Imec).
Her sikrer den kraftige ventilation og de hvide dragter, alle er iført, at intet uvedkommende lander på de store skiver af silicium – wafers – på deres vej mellem de kostbare maskiner, der omdanner dem til lynhurtige mikrochips.
I dag har de kraftigste mikrochips i bærbare computere hver 114 milliarder transistorer, som efterhånden nærmer sig atomar størrelse.
Vi har brug for et bredt økosystem for at få nye ideer til arkitektur og systemer. Derfor forsøger vi at demokratisere teknologien, og her kan Europa spille en central rolle.
-- Julien Ryckaert, vice president for Logic, Imec
Det er et resultat af, at mikrochips i tæt på 60 år konstant har udviklet sig efter den såkaldte Moores Lov, der siger, at antallet af transistorer på et integreret kredsløb fordobles hvert andet år.
At ‘overholde’ loven har dog været en stadigt hårdere kamp, og måske overraskende er det ikke de store chipproducenter i Taiwan, Sydkorea og USA, der har stået i spidsen for den. Det har medarbejderne her på Imec i den søvnige belgiske forstadsby Leuven, 15 kilometer fra Bruxelles.
Her, midt i Europa, arbejder over 3.000 elektroingeniører, kemikere og fysikere på at skubbe til grænserne for, hvor småt, hurtigt og effektivt man kan behandle 0’er og 1-taller i processorer, så vi kan få stillet vores umættelige appetit på databehandling.
Industriens fælles infrastruktur
»Vi har verdens største og mest avancerede wafer-renrum, som fungerer som industriens fælles infrastruktur. Derfor har vi historisk været et samlingspunkt for chip- og halvlederindustrien, hvor de mødes for at udvikle og teste nye maskiner og processer sammen med materiale- og udstyrsleverandører,« fortæller Julien Ryckaert, vice president for Logic hos Imec og ansvarlig for at definere de overordnede køreplaner for skalering af mikrochips.
I dag stammer kun lidt over ti procent af den globale produktion fra Europa, og fælles for producenterne her er, at de fremstiller chips i en lavere prisklasse og med ældre teknologi.
De mest avancerede mikrochips, med flest transistorer klemt inde på mindst plads, har Taiwan, Sydkorea og USA i årtier taget sig af.
Siden 1980’erne har Imec i Leuven dog været omdrejningspunktet for en stribe teknologiske gennembrud inden for chip- og halvlederteknologi, og i øjeblikket er chipproducenterne IBM, Samsung, Intel og TSMC ved at skifte til ny arkitektur udviklet af Imec.
Et spørgsmål om lys
For at forstå de udfordringer, Imec arbejder med, skal vi lige se på, hvordan en mikrochip egentlig fremstilles.
På papiret lyder det ikke så svært: Du designer et integreret kredsløb med transistorer og ledninger.
Ved en litografisk proces ætses designet i en maske, der placeres over en silicium-wafer, hvorefter designet ved belysning overføres til waferen.
I praksis kræver det dog flere hundrede separate kemiske og elektriske processer, der strækker sig over 12 uger fra rå wafer til færdig chip.
I dag mestrer kun TSMC i Taiwan, Samsung i Sydkorea og Intel i USA at producere de mest avancerede chips. Og det foregår på fabrikker til rundt regnet 30 milliarder danske kroner.
Fra Intels grundlægger, Gordon Moore, formulerede sin lov i midten af 1960’erne og frem til omkring 2005, voldte den ikke de store problemer.
Antallet af transistorer voksede fra et par tusinde til langt over 100 millioner på en mikrochip – især fordi det lykkedes at indsnævre bølgelængden på det lys, der benyttes.
Jo kortere bølgelængde, jo mindre kan transistorerne nemlig blive, og her bevægede industrien sig fra synligt lys med en bølgelængde på 400 nanometer (nm) over ultraviolet lys på 248 nm – indtil man ramte en mur ved dybt ultraviolet lys på 193 nm.
Her kastede store producenter af litografiudstyr som Canon og Nikon håndklædet i ringen. Ekstremt uv-lys med en bølgelængde på under 193 nm absorberes nemlig af det glas, der bruges i objektiverne, så intet lys kommer igennem. Men i Holland, hvor maskinbyggeren ASML holder til i Eindhoven, havde de mere tro på tingene, og de kastede sig ud i et gigantisk ingeniørprojekt, som tog 17 år og kostede over 66 milliarder danske kroner.
Verdens dyreste maskine
Resultatet af ASML’s store satsning står vi nu ved siden af i renrummet hos Imec.
Ved første øjekast ligner det en konventionel industrimaskine pakket ind i hvid plast. Men litografimaskinen EUV (extreme ultra violet) er verdens dyreste enkeltstående maskine.
Den er 12 meter lang, fire meter bred, fire meter høj og vejer 200 ton.
Prisen er over 1,2 milliarder danske kroner, og siden 2017 er der kun produceret omkring 100 styk.
Inde i maskinen er 100.000 komponenter forbundet med 3.000 kabler i et sindrigt system, der vil få enhver ingeniør til at tabe både næse og mund.
Maskinen sender ekstremt uv-lys med en bølgelængde på bare 13,5 nanometer igennem 11 kurvede spejle, der er blandt verdens mest præcise og overfladebehandlet med silicium og molybdæn. Hvis du blæste dit badeværelsesspejl op til et areal som hele Tyskland, ville der være op til fem meter høje buler i overfladen. Gør du det med ASML’s spejle, som er udviklet af Zeiss, vil der kun være afvigelser på to centimeter.
For at skabe det ekstreme uv-lys skydes laserlys ind på små dråber af flydende tin på størrelse med en tredjedel af et menneskehårs tykkelse. Når det flydende tin rammes af laseren, bliver det omkring 500 grader celcius varmt og producerer et plasma, der udsender ekstremt ultraviolet lys, som gennem masken lyser ned på silicium-waferen.
Store dele af den nye EUV-maskine er udviklet og testet hos Imec i Belgien. Her står den første generation stadig, og ved siden af bygger de på næste generation, High NA EUV. Den må vi dog endnu ikke se, men vi ved, at der arbejdes på en ny optik, så lys med større indfaldsvinkler kan ramme waferen, hvilket giver en højere opløsning.
Mens det tog 17 år at udvikle den første generation af ekstremt uv-lys, så forventer Imec, at næste generation i 2025 vil være klar til at indfri ambitionerne om at producere mikrochips på en 2 nm-proces, så Moores Lov kan holdes i live årtiet ud.
‘One size fits all’ er død
Det er bare langtfra nok til, at Julien Ryckaert og hans kolleger hos Imec kan sænke skuldrene.
For når transistorerne nærmer sig atomar størrelse, så pibler det frem med nye problemer og udfordringer:
Når man klemmer 256 processorkerner ind på en enkelt fysisk mikrochip, bliver kompleksiteten så omfattende, at flaskehalsen ikke længere sidder i den enkelte processor, men i den infrastruktur, der forbinder processorerne med hinanden, forklarer Julien Ryckaert.
»Det er faktisk ret imponerende, at det er lykkedes så langt, men nu er tiden kommet til at tænke nyt. Vi har nu så mange muligheder i en mikrochip, at sandsynligheden for fejl er stor,« siger han.
Den nytænkning, han taler om, foregår bl.a. lidt længere nede ad kontorgangen i det høje Imectårn.
Her sidder Eric Beyne, der har været en del af Imec siden midten af 1980’erne, hvor antallet af transistorer i en mikrochip blev målt i hundrede tusinder.
»Dengang blev alle opgaver løst med samme teknologi, og alt skulle passere de samme transistorer i kernen af en chip. I dag bruger vi forskellige teknologier og splitter chippen op i mindre dele for igen at forbinde dem i ét system,« siger Eric Beyne og nævner Apples M1 Ultra-chip, der faktisk består af to selvstændige chips, forbundet med en mikroskopisk siliciumbro.
»Det kaldes chiplets og stiller nye krav til, hvordan vi pakker de forskellige lag på en chip i 3D, og til gentænkning af hele integrationen. Her har vi enorme muligheder for fremskridt,« siger Eric Beyne.
Et mere jordnært eksempel er konceptet backside power delivery, der i korte træk handler om at flytte strømforsyningen om på den tomme bagside af en silicium-wafer.
»Transistorer i nanometerstørrelse er ikke optimale til at sende høj spænding igennem. Hvis vi kan flytte strømforsyningen væk fra processorkernen, frigives plads, og vi kan skrue op for spændingen,« siger Eric Beyne.
Drukner i egen succes
At et lille belgisk laboratorium startet i 1980’erne har udviklet sig til et epicenter for global chipteknologi kan bedst betegnes som en stor succes.
Men man kan også blive så god, at man bliver uundværlig, og det er ikke altid uproblematisk.
I dag er det nemlig kun Imec og en meget lille håndfuld globale virksomheder, der reelt har indsigt i, hvordan moderne mikrochips fremstilles. Det er lukket land for universiteter og mindre virksomheder. I Danmark findes der ingen uddannelser målrettet chipdesign og -produktion.
[box]
Europas kamp for teknologisk uafhængighed
Ingeniøren og Version2 sætter i 2022, med økonomisk støtte fra Europa-Nævnet, fokus på debatten om Europas behov for at gøre sig uafhængig af de teknologiske supermagter USA og Asien.
I Bruxelles diskuteres blandt andet muligheden for, at Europa skal producere egne mikrochips, sætte flere kræfter bag et cloud-alternativ, der kan konkurrere med de amerikanske tech-giganter.
Men er det nødvendigt at vende globaliseringen ryggen og begynde en europæisk enegang på det teknologiske område, og er det overhovedet et realiserbart projekt?
[/box]
Problemet er, at universiteterne ikke har adgang til de nyeste teknologier, eksempelvis ekstremt uv-lys. Og historisk har skalering af transistorer da heller ikke krævet et bredt økosystem.
»Det har vi brug for nu for at få nye ideer til arkitektur og systemer. Derfor forsøger vi at demokratisere teknologien, og her kan Europa spille en central rolle,« siger Julien Ryckaert.
Fra Imecs renrum i Leuven er der kun omkring 20 minutters kørsel til EU-Kommissionens hovedkvarter i Bruxelles, hvor den globale mangel på mikrochips i kølvandet på coronapandemien har ført til store drømme. Som den franske EU-kommissær Thierry Breton udtrykte det, da han i februar i år præsenterede den store europæiske redningsplan for chip- og halvlederindustrien i Europa:
»Vores mål er høje. At fordoble vores globale markedsandel i 2030 til 20 procent og producere de mest sofistikerede og energieffektive halvledere i Europa.«
Planen er fulgt op med den helt store pengepung fyldt med milliarder af støttekroner. Det har indtil videre fået en række af de europæiske chipproducenter til at udvide kapaciteten, og så har amerikanske Intel planer om at bygge en ny stor chipfabrik i Italien.
Men på den lidt længere bane er der brug for nye ingeniører og chipdesignere, hvis Europa for alvor skal kunne holde liv i Moores Lov uden hjælp fra USA og Asien.
»Selvom tempoet måske er gået en smule ned, så er Moores Lov langtfra død. Så længe behovet for data og regnekraft bliver ved med at stige eksponentielt, så vil vi kunne fortsætte med at skubbe til grænserne for, hvad der er teknologisk muligt,« siger Julien Ryckaert.
