På besøg hos Europas største udvikler af chip: Jagten på mere kraft på mindre plads

23. december 2022 kl. 06:006
På besøg hos Europas største udvikler af chip: Jagten på mere kraft på mindre plads
Imecs renrum kan håndtere de allerstørste silicium-wafers, der har en diameter på 300 mm. Det er nok til at producere omkring 600 af de mest avancerede mikrochip. Illustration: Imec.
3.000 elektroingeniører, kemikere og fysiker arbejder i verdens største renrumslaboratorium til chip- og halvlederudvikling.
Artiklen er ældre end 30 dage

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.

Artiklen fortsætter efter annoncen

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.

Artiklen fortsætter efter annoncen

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.

Illustration: Ingeniøren.

I praksis kræver det dog flere hundrede separate kemiske og elektriske processer, der strækker sig over 12 uger fra rå wafer til færdig chip.

Artiklen fortsætter efter annoncen

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.

M1 Ultra-chippen er Apples flagskib og indeholder svimlende 114 milliarder transistorer fordelt på to selvstændige chips, der er forbundet med 10.000 mikroskopiske ledninger. Flere chips samlet i én kaldes chiplets og er centralt for udviklingen af hurtigere regnekraft. Illustration: Apple.

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


Illustration: Europanævnet.

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.

6 kommentarer.  Hop til debatten
Debatten
Log ind eller opret en bruger for at deltage i debatten.
settingsDebatindstillinger
6
2. januar kl. 21:52

Vi er dygtige nok til det, men kompetencerne og en "hel branche" der omkring skal opbygges på ny.

Med hensyn til chip designs, så har det ikke noget med chip produktion at gøre.

TSMC producerer ikke egne chips. Fremstillingen af chips er fysik og kemi, og har ikke meget med chip design at gøre. Men vi kan sandsynligvis ikke fremstille chips billigt nok her i Danmark, til at vi kan konkurere med f.eks. TSMC. Skulle vi have en chip produktion, så vil vi skulle producere chips - ikke kun for os selv, men også for Norge, Sverige, Finland, og England. Tyskerne og franskmændene vil have deres egen fabrik.

Jeg tror der er mange dygtige chip design ingeniører specielt i England. De har i mange år haft en god undervisning, hvorimod vi her i Danmark er sløjet lidt af, og undervisningen i dag er mere tilrettelagt til FPGA'er og i visse tilfælde programmering i VHDL hvor den fysiske fornemmelse af hvad der foregår i visse tilfælde også går fløjten. Der er en vis forskel mellem chip designs, og FPGA'er, f.eks. hvis man skal lave hurtige chips. Delays i FPGA'er er i netværket der forbinder komponenterne, og minimalt i komponenter. Mens, der i chip designs, kan routes så der er langt mere optimale forbindelser, og de kritiske forsinkelser er i derfor i transistorer, og langt mindre i routingen. I en FPGA er routingen fuld af transistorer, der har modstande og dermed forsinkelser. Det er der ikke i chips. Her er det metal direkte forbundet. Der er derfor væsentligt forskel på optimeringer i FPGA designs og i chips. Samtidigt bruges i chips mange analoge triks f.eks. for at reducere store kapaciteter, sense amplifiers, forstærkere med fælles gate, osv. som FPGA designere ikke har interesse for. Endeligt, så er timing analysen i FPGA'er oftest statisk timing analyse, der ofte regner forkert (for kritisk), og på mange måder derfor saboterer enhver optimal løsning. F.eks. har jeg set at der ikke i alle tilfælde tages hensyn til at dataene flyder over transparante latche, hvilket er meget vigtigt at tage hensyn til, hvis man laver noget højhastighedsdesign. Ved højhastighedsdesign flyder alle data igennem kredsløbet, og stopper stort set ikke ved klok. Klok, er en teoretisk bobbel, der gerne skal flyde ligeså hurtigt fremad som data flyder fremad, så boblen altid er forude og ikke nås.

5
2. januar kl. 12:56

I artiklen står der:Når det flydende tin rammes af laseren, bliver det omkring 500 grader celcius varmt og producerer et plasma, der udsender ekstremt ultraviolet lys...

Ved 500 gr.C er tin smeltet, men vi skal nogle størrelsesordener op i temperatur for at lave det ønskede plasma, som udsender 13.5 nm EUV lys.

Denne artikel: https://phys.org/news/2020-05-exceptional-euv-hot-tin-plasma.html nævner 400000 Kelvin. Andre artikler nævner 20-30 eV som kræves for at strippe tin-atomet for elektroner, hvilket svarer til 232000-348000 Kelvin.

Der skal nok stå 500000 Kelvin i teksten.

3
2. januar kl. 11:27

Tilbage i tiden omkring 1990 var der OK fokus på chip-design i DK.

Men globaliseringen i årene derefter viste ad flere omgange at der næsten altid var et andet sten på jorden hvor der var nogle der var bedre/billigere til at udbygge/opbygge/designe/producere chip designs. Ofte blev prisen brugt til at vise at det ikke kunne betale sig at designe i DK. Det blev så til "outsource-ing". Så branchen gik ned i aktivitet i DK og væksten skete på de "globale steder". Kun nogle få niche brancher kunne holde chip-design kompetencher herhjemme.

Vi er dygtige nok til det, men kompetencerne og en "hel branche" der omkring skal opbygges på ny.

1
1. januar kl. 19:17

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.

Det er egentligt billigt - når vi tænker på danske forhold, hvor vi er tæt på at give det samme for en bus og togforbindelse, der tilmed giver vedvarende underskud. Det vil nok være bedre for landet, at bygge en stor chipfabrik, ikke mindst fordi at det giver lidt penge ind i landet.