Groeien door te krimpen – minstens tot 2036

50 jaar geleden vond Jack Kilby de chip uit. De technologische rat race die zijn vondst uitlokte naar almaar kleiner, almaar goedkoper, heeft zijn langste tijd gehad. De grens komt in zicht.

Reken op een uitgebreide verkleedpartij voordat de deuren van ASML’s cleanroom in Veldhoven opengaan. Schoenen uit, witte moonboots aan. Het lichaam moet bedekt zijn met een haarnetje, een stofkap, een blauwe overall en witte handschoenen. „We hebben de regels net aangescherpt”, legt een medewerker uit. De afstelling van de chipmachines luistert zo nauw dat elk stofje in de afgeschermde ruimtes fataal kan zijn.

Het Nederlandse ASML is wereldleider in lithografie: het proces waarmee patronen gedrukt worden op microchips. „Een chip bestaat uit 30 of 40 van die patronen bovenop elkaar. Onze machines kunnen de meest nauwkeurige lagen aanleggen”, zegt hoofdonderzoeker Jos Benschop.

Met behulp van ultraviolet licht, een enorme lens en geavanceerde software kan een ASML-machine patronen afbeelden met een nauwkeurigheid van 45 nanometer – 45 miljoenste van een millimeter. Straks wordt de schaal verkleind tot 20 of 30 nanometer, dankzij een nieuwe lichtbron.

Naarmate ASML zijn machines preciezer maakt, worden chips kleiner. „En we blijven voorlopig ‘krimpen’, volgens de wet van Moore”, zegt Jos Benschop. Hij verwijst naar de Amerikaanse onderzoeker die in 1965 voorspelde dat het aantal schakelingen op een chip elke twee jaar verdubbelt. Gordon Moore richtte ook Intel op, dit jaar precies veertig jaar geleden.

Nog een verjaardag. Tien jaar eerder, in 1958, kwam de Amerikaan Jack St. Clair Kilby met de eerste chip. Er brak een technologische rat race uit die de chip ontelbare malen verkleinde: een moderne Intel-chip telt 820 miljoen transistoren en de Itanium, de duurste microprocessor voor servers, heeft er 2 miljard.

Dé vraag die de hightechwereld op haar twee verjaardagen bezighoudt is: hoe lang nog kan de chipindustrie blijven innoveren in het moordende tempo van Moore’s voorspelling? „Dat is de billion dollar question”, zegt Jos Benschop van ASML. Hij trekt een wetenschappelijk onderzoek uit zijn la. „Dit artikel toont aan dat de verdubbeling van het aantal transistoren per chip nog tot 2036 mogelijk is. Dat is gelukkig elf jaar na mijn pensioen”, grapt Benschop.

De Amerikaanse processorfabrikant Intel was jarenlang de drijvende kracht achter de wet van Moore. Maar volgens ASML is het nu vooral de geheugenindustrie die de schaalverkleining stuwt. Geheugenchips voor bijvoorbeeld usb-sticks of muziekspelers lijken op microprocessors, maar hebben een eenvoudiger structuur. Naarmate er meer geheugenchips uit een plaat silicium gehaald kunnen worden, worden ze goedkoper om te produceren en dalen de prijzen. Die prijsdaling gaat in sneltreinvaart, zegt Benschop: „Kostte een gigabyte geheugenruimte vroeger evenveel als een woning, nu kost die evenveel als een hamburger.”

Harder nog dan de prijzen dalen, groeit de markt. De reusachtige geheugenchipfabrieken als die van Samsung hebben telkens nieuwe machines nodig die nog efficiënter en nog sneller werken om aan de groeiende vraag naar digitale fotocamera’s, muziekspelers of slimme mobieltjes met flashgeheugen te voldoen.

Als er, zoals nu, in tijden van economische teruggang minder geheugen wordt verkocht, heeft dat ook consequenties voor de verkoop van lithografiemachines – voor de lieve som van 40 miljoen euro per stuk. Dan blijft bijvoorbeeld de gloednieuwe productiehal die ASML nu gereed heeft gemaakt, een stuk leger.

Het bedrijf verwacht echter veel van het flashgeheugen dat de harde schijf in laptops gaat vervangen. Nu is dat nog een dure optie, maar het wordt vanzelf rendabel zolang de prijs van geheugen blijft dalen, zegt Benschop. „Misschien dat een gebruiker zich ooit zal afvragen: wat moet ik met een terabyte – 1.000 gigabyte, 1.000 × één miljard bytes – opslagruimte in mijn camera?” Maar dat zijn gevaarlijke uitspraken, beseft de onderzoeker. „Denk aan Bill Gates, de oprichter van Microsoft, die ooit riep dat 64 kilobyte geheugen voldoende was voor een besturingssysteem.”

Jurriaan Schmitz, hoogleraar microtechnologie aan de Universiteit van Twente, vertelt dat snellere computers en meer geheugen niet altijd toonaangevend zijn voor technische innovatie. „We hebben jarenlang een soort rekenmachines gebouwd, steeds sneller en sneller. Maar de maatschappij heeft haar vraag verlegd: de mobiele telefoon en de digitale camera vergen een ander soort chips. We hebben nu vooral microprocessors nodig die erg goed zijn in het behandelen van analoge signalen, bijvoorbeeld voor beeld, geluid of radiogolven. Gsm’s moeten bijvoorbeeld voor hun ontvangst heel nauwkeurig frequenties kunnen filteren – dan is het vooral belangrijk dat een chip ruisvrij is.”

Rekenkracht is minder van belang, legt Schmitz uit. „Strijkijzers, stofzuigers: alles heeft tegenwoordig een chip, en dat hoeft niet altijd zo ingewikkeld te zijn.” Neem de auto-industrie; die gebruikt liever bewezen technieken, waarmee ze al jaren werken. Fabrikanten willen niet het risico lopen dat ze met nieuwe chips onderdelen opnieuw moeten ontwerpen, met alle risico’s van dien. „Denk aan de accelerometer, die plotselinge bewegingen waarneemt. Een autofabrikant wil niet dat een airbag spontaan kan ontploffen – want dan moet hij alle auto’s weer terugroepen”, zegt Schmitz. Volgens het motto if it ain’t broke, don’t fix it besturen sommige Duitse autofabrikanten hun remsystemen nog met stokoude processors (uit begin jaren negentig). Intel heeft er zelfs een speciaal productielijntje voor in stand gehouden.

In een streng beveiligd distributiecentrum in Schiphol-Rijk wordt eenderde van alle Intel-microprocessors ter wereld verscheept. De doorloopsnelheid van het magazijn is hoog: processors zijn hier zelden langer dan een maand. Bij voorkeur korter, want anders zijn de prijzen weer verder gedaald. In een hoek liggen de partijen chips die terugkomen van de handel: soms dalen de prijzen zo snel dat winkeliers de microprocessors niet eens meer wíllen verkopen.

Intel vecht tegen de korte productiecycli. Ook al heeft het bedrijf ongeveer 80 procent van de markt voor microprocessors in handen, het moet zichzelf continu vernieuwen. Concurrerende chipfabrikanten zitten Intel op de hielen, zegt Intels zegman Kristof Sehmke op Schiphol-Rijk. Zo wist AMD een tijdje snellere chips te maken, maar inmiddels loopt Intel een generatie voor, zegt hij.

Dat er geen vraag meer naar rekenkracht zou zijn, bestrijdt Intel. De markt heeft volgens Sehmke juist nog steeds behoefte aan meer rekenvermogen. „Denk alleen al aan medische toepassingen. Maar ook consumenten hebben baat bij snellere chips. Met een te oude processor zou je nooit YouTube-filmpjes kunnen kijken.”

Maar rekenkracht is niet meer de enige drijfveer. Intels nieuwe Atom-processor springt zuiniger om met energie. Het bedrijf wil zo bijvoorbeeld een rol spelen in de groeiende markt voor goedkope mini-laptops. „Anders doen concurrenten dat wel”, zegt Sehmke.

Intussen stopt de verkleining niet. Intel boekte vorig jaar naar eigen zeggen een belangrijke technische overwinning omdat het voor het eerst een nieuwe isolatielaag in zijn processors verwerkt. Daardoor zijn nog kleinere schakelingen mogelijk. Gordon Moore noemde het de belangrijkste uitvinding sinds tijden. „Dankzij die vinding kunnen we de wet van Moore de komende vijftien jaar volhouden”, zegt Sehmke.

Wat er daarna gebeurt? Geen idee, zeggen ze bij Intel. Vergelijk het met een automobilist die door de mist rijdt en maar honderd meter ver kan zien, zegt Sehmke. „Je weet niet of de weg ophoudt tot je weer een paar meter verder bent.”