Reportage

Sleutelen aan quantumcomputers, AI en 6G: het gebeurt allemaal in deze hightechgarage

imec Chips die gedachten lezen, het lichaam cel voor cel onderzoeken, of iedere seconde terabytes aan data verwerken. Het Leuvense onderzoekinstituut imec is de hightechgarage voor de hele wereld. Bedrijven sleutelen hier samen aan de digitale revolutie.

Werknemers aan het werk in de cleanroom van imec. Bedrijven vinden samen uit hoe ze chips nog kleiner en efficiënter kunnen produceren.
Werknemers aan het werk in de cleanroom van imec. Bedrijven vinden samen uit hoe ze chips nog kleiner en efficiënter kunnen produceren. Foto imec

Een fantast is hij niet – verre van zelfs. Toch verwijst Peter Peumans, directeur van de gezondsheidstak van het Leuvense onderzoekscentrum imec, naar The Matrix, de film waarin een computer gekoppeld is aan het brein van hoofdrolspeler Neo. „Dat was ruim twintig geleden. Die brain- machine-interface wordt nu realiteit.”

Het team van Peumans werkt onder meer aan de Neuropixels-sonde, een sensor in het brein die afzonderlijke zenuwcellen registreert. De nieuwe versie – Neuropixels 2.0 – werd eerder dit jaar beschikbaar gesteld aan hersenonderzoekers. „Daarmee kunnen ze nog niet de volledige hersenen van mensen uitlezen, maar wel gedachten van proefdieren lezen en leren hoe ze te interpreteren”, zegt Peumans. Door het brein te doorgronden, hopen wetenschappers betere therapieën voor ziektes als alzheimer te vinden.

Een bezoek aan de imec-campus in Leuven, iets ten oosten van Brussel, is een reis langs de grens van wetenschap en sciencefiction. Het onderzoeksinstituut komt voort uit de Katholieke Universiteit Leuven en specialiseerde zich in nanotechnologie en halfgeleiders.

Bij imec werken vijfduizend onderzoekers, van wie vijfhonderd gedetacheerd door techbedrijven uit de hele wereld. De meeste imec-medewerkers zitten in Leuven, waar bedrijven samen uitvinden hoe ze chips nog kleiner en efficiënter kunnen produceren.

Het gaat meestal om ‘precompetitief’ onderzoek: wie een nieuwe chipfabriek van 15 of 20 miljard euro bouwt, wil niet het risico lopen in de verkeerde techniek te investeren. Daarom neemt de halfgeleiderindustrie liever gezamenlijk de volgende technologiesprong.

Bedrijven als Samsung, Intel, TSMC en hun toeleveranciers sleutelen bij imec samen aan productiemethoden die pas over een jaar of vijf in bedrijf zullen zijn. Lithografie, het belichten van chips, is daarbij een cruciale stap.

ASML uit Veldhoven plaatst de nieuwste prototypes van zijn lithografiemachine eerst in Leuven, zodat chipmakers er alvast mee kunnen testen. Ook toeleveranciers Applied Materials en ASM International, die andere productiestappen verzorgen, zetten hun chipmachines in de imec-cleanroom.

De cleanroom van imec

Foto imec

Juiste atomen op juiste plaats

Hoe klein is ‘kleiner’? De chip in de nieuwe iPhone 13, afkomstig van TSMC, telt 15 miljard schakelingen op amper een vierkante centimeter. Gemaakt volgens een productieproces dat tot op vijf nanometer nauwkeurig is – vijfmiljoenste van een millimeter. Bij imec werken ze nog verder vooruit, zegt. Peter Peumans: „Terwijl de industrie chips met 7- of 5-nanometertechnologie produceert, zijn wij hier bezig met 3, 2 en anderhalve nanometer.”

Peumans, afgestudeerd ingenieur aan de KU Leuven, was professor aan Stanford University in Silicon Valley. Hij keerde terug om de gezondheidstak van imec op te zetten.

Peumans: „Onze technologie zorgt ervoor dat de juiste atomen op de juiste plaats staan. Zodat je een transistor kunt maken met een gaatje van slechts een paar nanometer, om daar moleculen doorheen te trekken en dna uit te lezen.”

Voor medische toepassingen is niet altijd een chip op de allerkleinste schaal nodig: je kunt ook een chip bouwen die menselijke cellen één voor één inspecteert. „Cellen zijn tien micron groot; mastodonten vergeleken bij een molecuul”, zegt Peumans. „Als je onderzoek doet naar ziektes als alzheimer is het belangrijk dat je per cel kunt kijken wat er gebeurt. Dat vergt enorme rekenkracht.”

Hij voorspelt een dataexplosie als de geneeskunde ‘omics’ omarmt. Dat is de verzamelnaam voor de analyse van bijvoorbeeld dna en rna, zoals in genomics en transcriptomics: geneeskunde op maat, op nanometerschaal.

De Leuvense labs werken ook aan techniek voor quantumcomputers, fotonica, kunstmatige intelligentie en 6G-netwerken. Partnerbedrijven betalen deze onderzoeken grotendeels. Ze leveren driekwart van het budget, dat vorig jaar 678 miljoen euro besloeg.

Imec heeft ook een eigen productielijn, waarmee kleinere oplages van gespecialiseerde chips gemaakt kunnen worden. Peumans . „We blijven non-profit: al het geld dat binnenkomt, wordt geïnvesteerd in onderzoek.”

Sommige projecten leiden tot spin-offs, zoals het bedrijf dat een slimme contactlens bouwt voor mensen die extreem lichtgevoelig zijn. Ook voortgekomen uit imec: miDiagnostics, een start-up die ziektes als kanker en diabetes kan detecteren in een druppeltje bloed. Het doet denken aan het Amerikaanse Theranos, waarvan oprichter Elizabeth Holmes voor de rechter staat wegens fraude. Peumans: „Het is zinvol om zulke tests niet in een duur lab uit te voeren, maar dichter bij huis. De visie van Holmes was niet slecht, maar ze had geen technologie. Dat heeft MiDiagnostics wel.”

Een werknemer van imec.

Foto imec

Een rem op China

Andere Europese onderzoeksinstituten, zoals het Duitse Fraunhofer of CEA-Leti in Frankrijk, werken veel samen met lokale chipfabrikanten. Imec heeft weliswaar ASML in de buurt, maar België zelf heeft geen chipindustrie van betekenis. „We hebben van onze zwakte onze sterkte gemaakt”, zegt imec-topman Luc Van den hove. „We moesten wel ‘naar buiten’ en de interesse wekken van Azië en de VS.”

Zo werd de imec-campus een toonbeeld van internationale samenwerking – inclusief Chinese bedrijven als SMIC en Huawei, dat zijn Europese onderzoekscentrum in Leuven vestigde. Door de spanningen tussen de VS en China kan imec echter geen gevoelige chiptechnologie naar China exporteren – net zoals ASML geen geavanceerde lithografiemachine mag verkopen aan China.

Van den hove: „We willen voldoen aan de internationale exportregels. Moeilijk is dat niet: 95 procent van wat we hier doen is bestemd voor de westerse wereld.”

De imec-topman hoopt dat de geopolitieke spanning verdwijnt: „We hebben dezelfde situatie gehad in de jaren tachtig, toen Japan en de VS concurreerden in geheugenchips. Dat is ook opgelost. Er zijn veel afhankelijkheden tussen Amerikaanse en Chinese bedrijven – ik reken erop dat er een nieuw evenwicht ontstaat.”