Dankzij de geavanceerde apparatuur van onder andere het Veldhovense techbedrijf ASML worden er al decennialang steeds kleinere en fijnere chips gemaakt. Maar niet voor lang meer, waarschuwen experts. ‘We lopen nu tegen de fysieke grenzen aan. Straks zitten we op het niveau van een atoom.’
In een ‘cleanroom’ op het uitgestrekte terrein van ASML in Veldhoven ademen tientallen mannen en vrouwen in isolatiepakken lucht in die nog tienduizend keer zuiverder is dan die in een operatiekamer. Ze werken er aan het eerste prototype van het nieuwste product van deze apparatenmaker voor chipfabrikanten: de nieuwste generatie fotolithografiemachines op basis van extreem ultraviolet licht (EUV). Die produceert straks halfgeleiders door transistors op een schijfje silicium te ‘printen’ die bijna net zo klein zijn als een menselijk chromosoom. Dit eerste EUV-apparaat gaat dit jaar voor meer dan 350 miljoen euro naar Intel.
Aan de lithografiemachines van ASML danken we het bestaan van niet meer weg te denken apparaten zoals de iPhone en de geavanceerde chips van Nvidia waar ChatGPT op draait. Er zijn maar drie bedrijven ter wereld (Intel, Samsung en TSMC) die het soort processoren kunnen maken die voor zulke apparaten nodig zijn. En alle drie zijn ze daarvoor afhankelijk van de geavanceerde apparatuur van ASML.
Dankzij de innovaties van ASML kunnen transistors steeds kleiner worden, en de chips als gevolg daarvan krachtiger. Het hoge tempo van de technologische vooruitgang van de afgelopen vijftig jaar hebben we te danken aan de exponentiële groei van het aantal transistors op halfgeleiders. Die toename werd in 1965 al voorspeld door een van de oprichters van Intel, Gordon Moore: hij beweerde destijds dat het aantal transistors op een chip ongeveer elk jaar zou verdubbelen. Die voorspelling, die hij later bijstelde naar eens in de twee jaar, staat bekend als de wet van Moore.
De wet van Moore
Intel was grotendeels zelf verantwoordelijk voor die ontwikkeling, met zijn onophoudelijke innovaties op het vlak van ontwerp en productie van halfgeleiders. Maar dat de wet van Moore nog steeds opgaat, wordt tegenwoordig meestal op het conto van ASML geschreven. Het is aan de machines van het Nederlandse bedrijf te danken dat chips ter grootte van een vingernagel nu wel vijftig miljard transistors kunnen bevatten. ‘De drijvende kracht achter de wet van Moore? Dat is in feite lithografie,’ zegt Jamie Mills O’Brien van Abrdn, een van de vijftig grootste investeerders in ASML.
Die verschuiving wordt weerspiegeld in de beurswaarde van de twee bedrijven. Het aandeel ASML, dat aan de beurs genoteerd staat in Amsterdam en New York, is nu ongeveer twee keer zoveel waard als dat van Intel. Bij de belangrijkste trends van de laatste tien jaar, smartphones en kunstmatige intelligentie (AI), viste Intel goeddeels achter het net, doordat de Amerikaanse chippionier het tempo niet kon bijbenen van de Taiwanese chipmaker TSMC, een van de eerste gebruikers van de EUV-technologie van ASML.
Maar chipproducenten staan nu voor een enorme uitdaging. Ze liggen inmiddels achter op het door de wet van Moore voorspelde schema: het tempo van verdubbeling ligt tegenwoordig dichter bij eens in de drie jaar. Na de massaproductie van de nieuwste 3-nanometerchips voor de iPhones van dit jaar wordt de volgende stap een volgens sommigen nog grotere sprong voorwaarts naar 2 nanometer in 2025. ‘Maar kom je eenmaal op 1,5 of misschien 1 nanometer, dan is het definitief afgelopen met de wet van Moore,’ zegt Ben Bajarin, technologieanalist bij Creative Strategies in Silicon Valley. ‘Dan houdt het gewoon op.’
‘Elke twee of drie jaar een nieuwe generatie chips: ook de complexiteit neemt exponentieel toe
Voorspellingen over het einde van de wet van Moore worden al jarenlang gelogenstraft door chipontwikkelaars. Maar nu begint het aantal transistors dat op een siliciumschijfje wordt gepropt de grens te naderen van wat fysiek nog mogelijk is. Sommigen vrezen dat het aantal productiefouten daardoor toeneemt. De ontwikkelingskosten stijgen in ieder geval wel.
‘De economische grondslag onder de wet van Moore valt weg,’ aldus Bajarin. Chipontwerpers zijn de laatste jaren daarom druk op zoek naar andere manieren om het tempo van de toenemende rekenkracht vast te houden. Bijvoorbeeld door nieuwe materialen en ontwerptechnieken uit te proberen, en door de AI die bestaat bij de gratie van de nieuwste generatie chips in te zetten voor het ontwerpen van nieuwe chips. Wat op het spel staat, is niet alleen het vasthouden van het innovatietempo dat al decennialang ten grondslag ligt aan het succes van de technologiesector, en daarmee van de voortdurende economische groei en radicale verbeteringen in ons dagelijks leven. Ook allerlei nieuwe ontwikkelingen, van kunstmatige intelligentie en het ‘metaversum’ tot de lang beloofde innovaties op het vlak van schone energie en autonoom vervoer, kunnen hun belofte alleen waarmaken als chips steeds krachtiger en efficiënter worden.
‘Ooit zal er een einde aan moeten komen,’ waarschuwde de in maart overleden Moore in 2015, bij de vijftigste verjaardag van zijn oorspronkelijke artikel. ‘Zo’n exponentiële ontwikkeling kan niet eindeloos voortduren.’
Beurswaarde
ASML houdt de wet van Moore nog in leven, maar dat vergt miljarden aan investeringen en onvoorstelbare staaltjes technisch en natuurkundig vernuft. De voormalige Philips-dochter begon haar bestaan in de jaren tachtig in houten barakken op het parkeerterrein van het moederbedrijf in Eindhoven. Tegenwoordig is het met een beurswaarde van zo’n 275 miljard euro het grootste technologiebedrijf van Europa. Vanuit de hoofdvestiging in Veldhoven, op slechts een paar kilometer afstand van waar die oude noodgebouwen stonden, produceert ASML nu machines die wel vijftigduizend keer per seconde minuscule druppeltjes gesmolten tin kunnen verdampen, om licht met een golflengte van 13,5 nanometer te produceren. Zo’n bundel EUV-licht wordt dan in een vacuümruimte weerkaatst via een reeks spiegels, versmald en scherpgesteld op een siliciumschijfje, een zogenaamde wafer.
‘De wet van Moore is een economische wet: elke twee tot drie jaar kun je bij gelijkblijvende kosten de prestaties verdubbelen,’ zegt ASML-topman Peter Wennink. Maar, zegt hij erbij, ‘er is nog een ander aspect van de wet van Moore waar niemand het over heeft: de wet van de complexiteit. Elke twee of drie jaar een nieuwe generatie chips, dat wordt er niet makkelijker op. Ook de complexiteit neemt dus exponentieel toe.’
Enorme investeringen
De nieuwe High-NA-machine is de laatste vrucht van ASML’s enorme investeringen in onderzoek en ontwikkeling – die in 2022 met 30 procent stegen tot 3,3 miljard euro. High-NA slaat op de hogere ‘numerieke apertuur’, ofwel het aantal hoeken waaronder het licht kan worden omgebogen en verstuurd: hoe hoger dat is, hoe kleiner de transistorpatronen die op een wafer kunnen worden geprint.
Voor zijn huidige EUV-machines heeft ASML maar vijf potentiële afnemers: TSMC in Taiwan, Samsung en SK Hynix in Zuid-Korea en Intel en Micron in de VS. Alle vijf hebben ze het nieuwste model besteld. Met zijn monopolie op EUV-machines en zijn rol als grootste producent van DUV-machines (diep-ultraviolet, onmisbaar voor de productie van grotere en breder toegepaste chips in bijvoorbeeld auto’s en huishoudelijke apparaten) is ASML niet alleen populair in Silicon Valley, maar ook bij beleggers. De winstcijfers van het bedrijf zijn in de afgelopen vijf jaar meer dan verdubbeld en de aandelenkoers is in diezelfde periode navenant gestegen met 300 procent.
Momenteel is het bedrijf een speelbal in de felle geopolitieke strijd tussen de VS en China en is er sprake van een dip in de vraag naar chips, doordat de hausse tijdens de pandemie heeft geresulteerd in een voorraadoverschot. Toch zet ASML in op een verdubbeling van de omvang van de markt voor halfgeleiders in de komende jaren: van 600 miljard dollar nu naar 1,3 miljard in 2030. Het bedrijf heeft een orderportefeuille van 40 miljard dollar, wat erop wijst dat er nog steeds vraag naar zijn producten is, en is van plan tot 2025 meer dan 4 miljard euro te investeren in research & development, om zijn innovatietempo vast te houden.
Als dit alles gevaar loopt door het dreigende einde van de wet van Moore, dan is dat aan Wennink niet te merken. Hij maakt zich daar ‘helemaal geen zorgen’ over, zegt hij, maar geeft toe dat de verwachting van voortdurende vooruitgang de ‘grootste concurrent’ voor zijn bedrijf is. ‘Wij leveren de duurste machine in het productieproces,’ zegt hij. ‘Als wij onze klanten niet in staat stellen de kosten te verlagen of de waarde te verhogen, zullen ze alternatieven zoeken.’
Chipontwerpers anticiperen daar al op. ‘Er zijn allerlei gereedschappen om meer transistors op een chip te kunnen proppen,’ zegt Nigel Toon, hoofd van de Britse start-up Graphcore, die chips maakt voor AI-toepassingen. ‘De wet van Moore loopt misschien op zijn eind, maar daarmee komt er nog geen einde aan de innovatie,’ zegt Hassan Khan, die aan de Carnegie Mellon-universiteit leiding geeft aan het onderzoek naar halfgeleiders en toeleveringsketens voor het Amerikaanse National Network for Critical Technology Assessment. ‘Technologische vooruitgang wordt vaak gelijkgesteld aan de wet van Moore, alsof innovatie alleen mogelijk is door steeds goedkopere transistors. Maar de mens is slim in het opsporen van knelpunten en het vinden van manieren om die te omzeilen.’
Dankzij het type processor waarmee Intel groot is geworden, konden er decennialang apparaten worden ontworpen die een soort Zwitsers zakmes waren, alleskunners zoals de pc en de smartphone. Maar ‘de verwevenheid van hardware en software is weer in opkomst,’ zegt Ondrej Burkacky, die mede leiding geeft aan de semigeleiderdivisie van McKinsey. Het bekendste voorbeeld daarvan is misschien wel de iPhone. De mate waarin die zich altijd weet te onderscheiden van smartphones die op Android draaien, berust voor een belangrijk deel op chips die speciaal voor de iPhone zijn ontworpen. Apple kan specifieke softwarefuncties voor zijn iPhone ontwikkelen in samenwerking met zijn eigen chipontwerpers, een team dat inmiddels al duizenden mensen telt.
Voor fabrikanten van Android-telefoons is dat lastiger, want het besturingssysteem van Google moet duizenden verschillende telefoons ondersteunen, van eenvoudige modelletjes tot Samsungs nieuwste paradepaardje van meer dan 1000 dollar. De algemene standaardchips van de Britse chipontwerper Arm worden door Apple speciaal toegesneden op betere prestaties of een langere batterijduur in de iPhone. Apple is daar zo goed in geworden dat het in 2020 de Intel-chips in zijn Macs kon verruilen voor een eigen chip op basis van het Arm-model.
Hogere prestaties
Omdat softwareontwerpers steeds hogere prestaties voor bepaalde taken verlangen, gaan sommige bedrijven nog verder in het herzien van de ‘architectuur’ van de chip, de fundamentele wijze waarop processoren zijn ontworpen en opgebouwd. Een bedrijf als Graphcore kan ‘met een schone lei beginnen,’ zegt Toon. ‘Je moet beter nadenken over de vraag wat de geschikte architectuur is voor een specifieke applicatie.’
Nvidia, het grootste halfgeleiderbedrijf ter wereld, met een beurswaarde die onlangs de 1 biljoen dollar aantikte, deed eerst jarenlang ervaring op met grafische kaarten voor nichemarkten van gamers en wetenschappers. Het begon pas echt goud geld te verdienen toen zijn grafische processoren onmisbaar bleken voor elk bedrijf dat AI ontwikkelt. Zowel voor AI als voor het genereren van computerbeelden is de door Nvidia toegepaste techniek voor ‘parallelle verwerking’ uitermate geschikt: daarbij kunnen meerdere repetitieve taken – zoals het weergeven van veelhoeken of het uitvoeren van algoritmes – tegelijkertijd worden verricht.
Onmogelijke problemen
In de eerste dertig jaar van zijn bestaan was Nvidia volgens topman en medeoprichter Jensen Huang ‘het bedrijf dat je belde voor het oplossen van haast onmogelijke problemen’. Het jammere was alleen dat het daarmee nichemarkten bediende die ‘allemaal piepklein waren’, zoals die van de computationele biologie. ‘Ons bedrijf werd wel getypeerd met de slogan: oplossingen voor de problemen die geen geld opleveren,’ zegt hij. ‘En toen kwam er ineens een eind aan de wet van Moore. Nu zijn wij hét computerbedrijf dat je nodig hebt voor groei.’
Maar omdat innovaties op chipgebied nu vaak specifiekere toepassingen hebben, worden doorbraken strenger geheim gehouden en zijn ze minder snel geschikt voor brede markttoepassingen. ‘In de jaren negentig en de eerste jaren van deze eeuw waren de kosten per transistor en de mogelijkheden om complexere chips te bouwen zo’n beetje voor de hele sector gelijk,’ zegt Khan.
Tegenwoordig ‘is rekenkracht minder op algemeen gebruik toegesneden. Als ik chips optimaliseer voor AI, kan dat GPT efficiënter of krachtiger maken, maar heeft het misschien geen effect op de rest van de economie.’
Een ander belangrijk terrein van innovatie zijn chips in de vorm van ‘pakketjes’. In plaats van elk onderdeel op een en dezelfde wafer te printen, zodat je een zogenaamd ‘system on a chip’ krijgt, prijzen halfgeleiderbedrijven nu de mogelijkheden aan van ‘chiplets’, kleinere bouwstenen die met elkaar gecombineerd kunnen worden tot een groter geheel. Dat geeft meer flexibiliteit bij het ontwerp en de inkoop van onderdelen. Intel noemt chiplets ‘de manier om de wet van Moore in het komende decennium en daarna in stand te houden’. Het riep vorig jaar een consortium bijeen van chipmakers en ontwerpers, waaronder TSMC, Samsung, Arm en Qualcomm, om standaarden op te stellen voor de bouw van deze lego-achtige processoren.
De truc
Volgens Richard Grisenthwaite, hoofd architectuur bij chipontwerper Arm, is een van de voordelen van chiplets ten opzichte van de ‘monolithische’ traditionele chips dat bedrijven daarin complexe en dure processoren kunnen combineren met oudere en goedkopere. De truc, waarschuwt hij, is om dan met die oudere en goedkope onderdelen meer te besparen dan je kwijt bent aan de extra kosten van het combineren van componenten.
Maar nieuwe ideeën leiden ook weer tot nieuwe problemen. Een grote uitdaging bij veel van deze innovaties is volgens Burkacky van McKinsey dat ze vaak grotere chips opleveren, wat dan weer leidt tot een groter oppervlak dat foutjes kan bevatten. ‘Een defect is meestal een onzuiverheid, een deeltje uit de lucht of uit het chemische proces dat op het oppervlak valt en een chip onbruikbaar kan maken,’ zegt hij. ‘Hoe groter de chip, hoe groter die kans.’
‘We lopen nu tegen de fysieke grenzen aan. Straks zitten we op het niveau van een atoom’
Dat kan fataal zijn voor de productieopbrengst van halfgeleiderfabrikanten: die kan volgens Burkacky zomaar dalen tot 40 of 50 procent, waardoor een toch al kostbaar proces nog moeilijker economisch rendabel te maken wordt. Grotere chips met meer rekenkracht verbruiken ook meer stroom en genereren in een datacentrum zo veel hitte dat het radicaal nieuwe en energie slurpende koelsystemen zoals dompelkoeling vergt om een optimale prestatie te garanderen.
Aan het andere eind van het spectrum kan bij kleinere chips volgens sommige onderzoekers de betrouwbaarheid weer in het geding zijn. In 2021 publiceerde een team van Google het artikel ‘Cores that don’t count’ (‘processorkernen die niet meetellen’). Het was de technici in datacentra namelijk opgevallen dat sommige chips diep in de enorme datacentra ‘onvoorspelbaar’ gedrag vertoonden. ‘Naarmate de fabricage [van chips] naar steeds kleinere afmetingen tendeert, zien we soms rekenfouten opduiken die in de productietests niet naar voren kwamen’, schreef een team Google-ingenieurs onder leiding van Peter Hochschild. ‘Erger nog is dat dit vaak “stille” fouten zijn: het enige symptoom is een foutieve berekening.’ Hochschild concludeert dat ‘de diepere oorzaak’ gelegen is in ‘de steeds kleinere afmetingen’, waarbij de grenzen van het haalbare worden genaderd, in combinatie met de ‘immer groeiende complexiteit van de architectuur’.
Sprong voorwaarts
Instandhouding van de wet van Moore ‘was tot nu toe een uitvoeringsuitdaging’, zegt Burkacky. ‘Ik wil daar niets aan afdoen, het was een razend lastige klus, maar we lopen nu tegen de fysieke grenzen aan. Straks zitten we op het niveau van een atoom. Dan is het volgens de huidige natuurkundige inzichten wel einde verhaal.’ Ooit kunnen kwantumcomputers misschien de lang beloofde sprong voorwaarts in rekenkracht maken die vergelijkbaar zal zijn met de vooruitgang op basis van silicium sinds de jaren zestig. Maar zelfs de meest optimistische pleitbezorgers daarvan geven toe dat het waarschijnlijk nog meer dan tien jaar duurt voordat kwantumcomputers geschikt zijn voor alledaagse praktische doeleinden.
Ondertussen is Toon optimistisch dat chips zoals die van Graphcore tot nieuwe vooruitgang kunnen leiden. ‘Ik denk dat we computers gaan bouwen en AI-types gaan ontwerpen die zo krachtig zijn dat we daardoor de werking van moleculen zullen doorgronden, en dan gaan we met behulp van die AI-computers moleculaire computers bouwen,’ zegt hij. ‘Dat hele idee van de singulariteit [het moment dat AI de mens voorbijstreeft in intelligentie] is gelul, maar de gedachte dat je AI kunt gebruiken om de computertechniek verder te brengen, is heel praktisch.’
