Europas største utvikler av databrikker: Slik jakter de mer kraft på mindre plass

Uansett hvor du kikker, er det skinnende rent.

Det er umulig å få øye på selv det minste støvfnugg eller menneskehår.

Vi befinner oss i et av verdens mest avanserte renrom, som dekker over 7200 kvadratmeter hos forsknings- og utviklingssenteret Interuniversity Microelectronics Centre (Imec).

Her sikrer den kraftige ventilasjonen og de hvite draktene alle har på seg at ingenting uvedkommende lander på de store skivene av silisium – wafers – på vei mellom de dyre maskinene som gjør dem om til lynraske databrikker.

I dag har de kraftigste brikkene i bærbare datamaskiner 114 milliarder transistorer som etter hvert nærmer seg atomstørrelse.

Det er et resultat av at brikkene i nesten 60 år har utviklet seg etter den såkalte Moores lov, som sier at antallet transistorer på en integrert krets fordobles annethvert år.

Å «overholde» loven har imidlertid vært en stadig hardere kamp, og det er faktisk ikke de store produsentene fra Taiwan, Sør-Korea og USA som leder an. Det gjør medarbeiderne ved Imec, i den søvnige belgiske forstadsbyen Leuven, 15 kilometer fra Brussel.

Her, midt i Europa, jobber over 3000 elektroingeniører, kjemikere og fysikere for å flytte grensene for hvor smått, raskt og effektivt man kan behandle 0-er og 1-tall i prosessorer slik at vi kan få stilt vår umettelige appetitt på databehandling.

Industriens felles infrastruktur

– Vi har verdens største og mest avanserte wafer-renrom, som fungerer som industriens felles infrastruktur. Derfor har vi historisk vært et samlingspunkt for halvlederindustrien. Her møtes aktørene for å utvikle og teste nye maskiner og prosesser sammen med leverandører av utstyr og materialer, forteller Julien Ryckaert, direktør for logikk hos Imec og ansvarlig for å definere de overordnede rutetabellene for skalering av produksjonen.

I dag stammer bare litt over 10 prosent av den globale produksjonen fra Europa, og det dreier seg stort sett om brikker i en lavere prisklasse og med eldre teknologi.

De mest avanserte brikkene, med flest transistorer klemt inn på minst plass, har Taiwan, Sør-Korea og USA tatt seg av.

Men siden 1980-årene har Imec vært kjernen for en rekke teknologiske gjennombrudd, og for tiden holder produsentene IBM, Samsung, Intel og TSMC på å skifte til ny arkitektur utviklet av Imec.

Et spørsmål om lys

For å forstå de utfordringene Imec jobber med, må vi se på hvordan en databrikke produseres.

På papiret lyder det ikke så vanskelig: Du designer en integrert krets med transistorer og ledninger.

I en litografisk prosess etses designet i en maske som plasseres over en silisium-wafer før designet, ved hjelp av belysning, overføres til waferen.

I praksis krever det imidlertid flere hundre separate kjemiske og elektriske prosesser som strekker seg over tolv uker fra rå wafer til ferdig brikke.

I dag er det bare TSMC (Taiwan), Samsung (Sør-Korea) og Intel (USA) som kan produsere de mest avanserte brikkene. Og det foregår på fabrikker som koster 40 milliarder kroner stykket.

Fra Intels grunnlegger Gordon Moore formulerte loven sin i midten av 1960-årene og fram til rundt 2005, voldte den ikke store problemer.

Antallet transistorer vokste fra et par tusen til langt over 100 millioner på en brikke – særlig fordi man klarte å ta i bruk lys med mindre bølgelengde.

Jo kortere bølgelengde, jo mindre kan transistorene bli. Industrien gikk fra synlig lys, med en bølgelengde på 400 nanometer (nm) via ultrafiolett lys på 248 nm – helt til man traff en mur ved dypt ultrafiolett lys på 193 nm.

Her kastet store produsenter av litografiutstyr som Canon og Nikon inn håndkleet. Ekstremt UV-lys med en bølgelengde på under 193 nm absorberes nemlig av glasset som brukes i objektivene. Men i Eindhoven i Nederland, der maskinbyggeren ASML holder til, hadde de kastet seg ut i et gigantisk ingeniørprosjekt som tok 17 år og kostet over 94 milliarder kroner.

Verdens dyreste maskin

Resultatet av ASMLs store satsing står vi nå ved siden av i renrommet hos Imec.

Ved første øyekast ser det ut som en konvensjonell industrimaskin pakket inn i hvit plast. Men litografimaskinen EUV (extreme ultra violet) er verdens dyreste enkeltstående maskin.

Den er 12 meter lang, 4 meter bred, 4 meter høy og veier 200 tonn.

Prisen er over 1,7 milliarder kroner, og siden 2017 er det bare produsert omkring 100 stykker.

Inne i maskinen er 100 000 komponenter forbundet med 3000 kabler i et sinnrikt system som vil få enhver ingeniør til å måpe.

Maskinen sender UV-lys med en bølgelengde på bare 13,5 nanometer gjennom 11 kurvede speil som er blant verdens mest presise, overflatebehandlet med silisium og molybden. Hvis du blåste badespeilet opp til et areal som hele Tyskland, ville det være opptil fem meter høye buler i overflaten. Gjør du det med ASMLs speil, som er utviklet av Zeiss, vil det bare være avvik på to centimeter.

For å skape det ekstreme UV-lyset skytes laserlys inn på små dråper av flytende tinn, på størrelse med en tredjedel av tykkelsen til et menneskehår. Når det flytende tinnet blir truffet av laseren, varmes det opp til omkring 500 grader og produserer et plasma som sender ut ekstremt ultrafiolett lys som lyser ned på silisium-waferen.

Store deler av den nye EUV-maskinen er utviklet og testet hos Imec. Her står fortsatt den første generasjonen, og ved siden av bygger de neste generasjon, High NA EUV. Den får vi imidlertid fortsatt ikke se, men vi vet at det jobbes ved en ny optikk som gjør at lys med større innfallsvinkler kan treffe waferen, noe som gir en høyere oppløsning.

Mens det tok 17 år å utvikle den første generasjonen med ekstremt UV-lys, forventer Imec at neste generasjon allerede i 2025 vil være klar til å innfri ambisjonene om å produsere brikker med en 2 nm-prosess, slik at Moores Lov kan holdes i live tiåret ut.

«One size fits all» er død

Men de nye framskrittene er ikke nok til at Julien Ryckaert og kollegene hans hos Imec kan senke skuldrene.

For når transistorene nærmer seg atomstørrelse, kommer det nye problemer og utfordringer:

Når man presser 256 prosessorkjerner inn på en enkelt fysisk brikke, blir kompleksiteten så omfattende at flaskehalsen ikke lenger sitter i den enkelte prosessoren, men i den infrastrukturen som forbinder prosessorene, forklarer Ryckaert.

– Det er faktisk ganske imponerende at det har fungert så langt, men nå må vi tenke nytt. Vi har nå så mange muligheter i en databrikke at sannsynligheten for feil er stor, sier han.

Den nytenkningen han snakker om, foregår blant annet litt lenger ned i gangen – i Imec-tårnet.

Her sitter Eric Beyne, som har arbeidet i Imec siden midten av 1980-årene, da antallet transistorer i en mikrochip bare var noen hundre tusen.

– Den gangen ble alle oppgaver løst med samme teknologi, og alt skulle passere de samme transistorene i kjernen av en brikke. I dag bruker vi ulike teknologier og splitter opp brikken i deler som koble sammen i ett system, sier Beyne.

Han påpeker at Apples M1 Ultra-brikke, som består av to selvstendige enheter, er forbundet med en mikroskopisk silisiumbro.

– Det kalles chiplets og stiller nye krav til hvordan vi pakker de ulike lagene i tre dimensjoner. Vi må revurdere hele integrasjonen. Her har vi enorme muligheter for framskritt, sier Beyne.

Et mer jordnært eksempel er konseptet backside power delivery, som i korte trekk handler om å flytte strømforsyningen over på den tomme baksiden av en silisium-wafer.

– Transistorer i nanometerstørrelse er ikke optimale å sende høy spenning gjennom. Hvis vi kan flytte strømforsyningen vekk fra prosessorkjernen, frigjøres plass, og vi kan sette opp spenningen, sier Beyne.

Drukner i egen suksess

At et lite belgisk laboratorium som ble startet i 1980-årene, har utviklet seg til et episenter for global datateknologi, er en stor suksess.

Men man kan bli uunnværlig, og det kan bli et problem.

I dag er det nemlig bare Imec og noen få andre bedrifter som faktisk har innsikt i hvordan moderne databrikker produseres. Universiteter og mindre bedrifter er utestengt. I Danmark finnes det ingen utdannelser rettet mot design og produksjon av databrikker.

Problemet er at universitetene ikke har adgang til de nyeste teknologien, for eksempel ekstremt UV-lys. Og historisk har ikke skalering av transistorer krevd et bredt økosystem.

– Det trenger vi nå for å få nye ideer om arkitektur og systemer. Derfor forsøker vi å demokratisere teknologien, og her kan Europa spille en sentral rolle, sier Julien Ryckaert.

Fra Imecs renrom i Leuven er det bare omkring 20 minutters kjøring til EU-kommisjonens hovedkvarter i Brussel, der den globale mangelen på databrikker i kjølvannet av koronapandemien har ført til store drømmer. Som den franske EU-kommissæren Thierry Breton uttrykte det da han i februar i år presenterte den store europeiske redningsplanen for halvlederindustrien i Europa:

– Målene våre er høye. Å fordoble markedsandelen i 2030 til 20 prosent og produsere de mest sofistikerte og energieffektive halvlederne i Europa.

Planen ble fulgt opp av milliarder av støttekroner. Det har så langt fått en rekke av de europeiske produsentene til å utvide kapasiteten, og amerikanske Intel har planer om å bygge en stor fabrikk i Italia.

Men på sikt er det behov for nye ingeniører og designere hvis Europa virkelig skal holde liv i Moores lov uten hjelp fra USA og Asia.

– Selv om tempoet har gått litt ned, er Moores lov slett ikke død. Så lenge behovet for data og regnekraft fortsetter å stige eksponentielt, vil vi kunne fortsette å flytte grensene for hva som er teknologisk mulig, sier Ryckaert.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren.