OVER IMEC

Imec staat wereldwijd op één als het aankomt op onderzoek naar en ontwikkeling van microchips. Die microchips liggen aan de basis van zowat alle recente evoluties en doorbraken in het ‘slimmer’ maken van de wereld rondom ons. Zonder chips, geen sensoren voor bionische armen. Zonder chips, geen automatische overstromingsmelders. Zonder chips, geen slimme robots, geen draagbare stressmeters en geen slimme verkeerslichten. Imec zorgt er niet alleen voor dat chips kleiner, veelzijdiger en krachtiger worden – ze worden zélf ook slimmer.

Maar imec combineert ook geavanceerde chips met baanbrekende software. Omdat de chiptechnologie evolueert naar steeds krachtigere en kleinere chips kunnen wij alles slim maken. Dat brengt enorme hoeveelheden data in ons bereik. Nu al produceren we een paar Zettabytes (= 1012 GB) data per jaar. Tegen 2025 zal dit een paar honderd Zettabytes per jaar zijn. De Zettabytes aan data omzetten in kennis, de juiste informatie uit die massa data kunnen halen, is een enorme uitdaging. Als we daarin slagen, dan gaan de deuren naar een slimme toekomst pas écht open.

Het maken van chips kan je vergelijken met het bakken van een laagjestaart, volgens een heel complex recept, een heel precieze beschrijving van alle stappen die je moet doorlopen, van de manier waarop je de verschillende toestellen moet instellen, en van de ingrediënten die je nodig hebt. De basis waarop je de chips maakt, de taartbodem, is een schijf silicium, ook wel wafer genoemd. De schijven die gebruikt worden in imecs meest moderne cleanroom hebben een diameter van 300mm, en daarop kun je bv. 70.000 chips van 1mm² maken, of een 700-tal chips van 1cm². In de cleanroom staan een hele reeks geavanceerde toestellen, die elk een stapje van het productieproces uitvoeren. Een volledig recept kan uit 250 stappen bestaan die samen een paar maanden kunnen vragen (imecs cleanroom functioneert 24 uur per dag en 7 dagen per week). Op het einde wordt de taart, de afgewerkte siliciumschijf, versneden en worden de individuele chips verpakt en getest.

Het basiselement van een chip is de transistor, een schakelaar die je aan of uit kunt zetten. Die transistoren zijn met elkaar verbonden tot eenvoudige circuits, zoals geheugencellen of logische poorten. En die worden op hun beurt weer verbonden tot steeds complexere gehelen, zoals circuits om getallen op te tellen of te vermenigvuldigen.

Al sinds het begin van de chipproductie slagen de fabrikanten erin om gemiddeld om de 18 maanden met een nieuwe generatie chips voor de dag te komen. Die bevat telkens dubbel zoveel transistoren als de vorige generatie tegen ongeveer dezelfde kost. Het is die trend die de Wet van Moore wordt genoemd, naar Gordon Moore, één van de stichters van Intel. Door die evolutie bevatten recente chips meer dan een miljard transistoren die maar een paar tiental nanometer groot zijn.

imecs 300mm cleanroom

Om je een idee te vormen van wat dat concreet betekent, moet je je voorstellen dat je een chip van een halve vierkante centimeter zou vergroten tot een voetbalveld, een halve hectare. Dan zou dat hele voetbalveld bedekt zijn met blokjes, putjes, en draadjes die slechts een millimeter groot of dik zijn. Bovendien bestaat zo’n chip nog uit laagjes. De onderste laag zijn de eigenlijke transistoren die in het silicium zijn gemaakt. Daar kunnen nog tot 10 lagen boven liggen. Die vormen een woud van metaaldraadjes die de transistoren verbinden tot complexe reken- en geheugencircuits.

Analisten voorspellen dat de wet van Moore zal aflopen, dat het niet langer mogelijk is om meer transistoren op een chip te krijgen. En wetenschappers zijn inderdaad al een tijdje bezig met transistoren ook sneller te maken in plaats van alleen maar kleiner. Daardoor zijn nieuwe chips nog altijd dubbel zo snel, alhoewel ze niet meer precies dubbel zoveel transitoren bevatten. De onderzoekers bij imec zijn er gerust in dat ze oplossingen kunnen bedenken voor nog een aantal toekomstige chipgeneraties. Die zullen erin bestaan om bv. met andere materialen te werken, of om de transistoren ook verticaal te stapelen. Maar men denkt ook aan chips die op een totaal andere manier rekenen. Voorbeelden zijn neuromorfe chips die de werking en de efficiëntie van onze hersenen nabootsen, of quantumchips die gebruik maken van quantumfysische eigenschappen om het rekenen vele malen te versnellen.

300mm silicium wafer

Het menselijk brein is een droom voor computerwetenschappers: het heeft een enorme rekenkracht en verbruikt slechts heel weinig energie. Wetenschappers over de hele wereld inspireren zich dan ook op de hersenen om de ultieme microchips te maken: zeer krachtige en energiezuinige zelflerende neuromorfe chips die voor allerlei toepassingen uitermate interessant zullen zijn. Ze kunnen bijvoorbeeld ingebouwd worden in kleine sensoren voor het internet-der-dingen waardoor intelligente zelf-lerende sensoren ontstaan, die niet alleen data kunnen interpreteren en erop reageren, maar ook in staat zijn om op basis van eigen ervaringen de aangeleerde patronen verder te optimaliseren. Ook een zelfrijdende auto kan bijvoorbeeld niet naar behoren functioneren op basis van enkel maar voorgeprogrammeerde informatie. Die moet zichzelf kunnen aanleren om in te spelen op onvoorziene omstandigheden zoals een overstekend kind. Of denk aan een kunstarm die zijn eigenaar hetzelfde gevoel geeft als een échte arm. Ook die kan niet voorgeprogrammeerd worden met elke mogelijke tactiele impuls van buitenaf. Die moet dat zelf aanleren.

Imecs ultieme doel is om artificiële intelligentie mogelijk te maken in zo klein mogelijke microchips die zo weinig mogelijk energie verbruiken en dit aan een heel lage kostprijs zodat de chips overal kunnen gebruikt worden. De chip kan zelf associaties maken tussen wat hij reeds heeft opgedaan aan ervaringen en wat hij op een gegeven moment ervaart. Hoe meer ervaringen de chip opbouwt, hoe sterker de associaties worden die de chip maakt. Op die manier heeft imec een neuromorfe microchip gemaakt die zelf geleerd heeft om muziek te componeren.