'Wat mij de laatste jaren vooral opvalt is dat veel bedrijven die traditioneel niet met chips bezig waren, nu wel hun eigen chips maken. Tesla kocht chips bij Nvidia, Apple bij Intel, maar nu zie je dat bedrijven die zeer softwarecentrisch zijn ook hun eigen hardware bouwen. Dat is al een paar jaar aan de gang, maar er kwamen dit jaar wel voorbeelden bij. Tesla heeft met haar D1 Dojo een eigen serverchip om machine learning algoritmes te trainen. Dat zijn systemen met een indrukwekkende complexiteit, en dan zeker van een bedrijf dat eigenlijk weinig chipervaring heeft. Hetzelfde zien we bij Apple die met hun M1 Pro iedereen voorbij steekt terwijl ze (in tegenstelling tot AMD en Intel, nvdr.) geen vijftig jaar ervaring hebben in processordesign.'

Marian Verhelst, professor micro-electronica aan de KU Leuven.
Marian Verhelst, professor micro-electronica aan de KU Leuven.

De reden dat ze dat doen is volgens Verhelst om zichzelf technisch te onderscheiden. 'Chips aangepast voor heel specifieke workloads kunnen heel efficiënt zijn. Ze maken dat je batterij langer meegaat, of dat een toestel bijvoorbeeld augmented reality aan kan. De software is lang de verschilmaker geweest, met de hardware als bijkomstig. Nu zie je dat bedrijven zich weer willen onderscheiden met hardware specs.'

Maar chips op maat van het product zijn niet voor iedereen weggelegd. Het zijn dan ook vooral de spelers met bergen cash zoals Google, Facebook, Apple of Tesla, die daar actief worden. 'Je hebt al snel honderden tot duizenden mensen nodig om één chip te ontwerpen, en dan hebben we het nog niet over de miljoenen dollars voor de productie.'

Die markt komt voor een groot deel op gang door ontwikkelingen in AI. 'Ik ben daar zelf heel enthousiast over. De AI-golf schudt heel het hardwaredomein door elkaar met nieuwe spelers en nieuw geld, dat geeft een enorme boost aan de markt.'

Van dichter naast elkaar, naar meer op elkaar

De eeuwige heilige graal blijft om meer transistors op één chip te krijgen. De volgende stap zijn chips op een 3-nanometerproces en later 2 nm, al is Verhelst daar genuanceerd in: 'Niets op zo'n chip is twee nanometer. Dat zijn vooral marketingtermen om generaties aan te duiden. Er zijn ook nieuwe soorten transistoren, maar het komt vooral neer op dichtheid, hoeveel transistoren krijg je op één vierkante millimeter.'

Maar nu het moeilijker wordt om meer schakelingen naast elkaar te zetten, kijken de grote spelers naar het stapelen in 3D. 'Je kan lagen boven elkaar zetten en daar is elke speler momenteel over aan het nadenken, dat gaan we op termijn meer en meer zien. AI heeft heel veel geheugen nodig, dus kijkt men naar 3D-integraties. Als alle spelers zich daar achter scharen kan dat enorm vooruit gaan.'

Dat maakt het productieproces er niet eenvoudiger of goedkoper op. Een chipfabriek (fab) voor 65-nanometerchips kost 400 miljoen dollar. Voor 7 nanometer is dat al 2,9 miljard dollar. Voor 5 nanometer, de huidige generatie, is dat 5,4 miljard dollar. 'Je hebt dan bijvoorbeeld strained sillicon nodig, bepaalde soorten dopering of lagen. Hierdoor heb je vele extra stappen nodig in het productieproces en elke stap maakt het duurder, langer en gevoeliger aan alle mogelijke parameters. Hoe dieper de technologie, hoe duurder en hoe meer volume je moet produceren om break-even te draaien. Dus ook hoe minder snel er in een nieuwe fabriek wordt geinvesteerd.'

Geen buffer

Tegelijk is het geen evidentie om zo'n fabriek winstgevend te krijgen in de korte tijd dat de geproduceerde chips nog als spitstechnologie worden beschouwd. Verhelst wijst naar een dia uit een presentatie die ze recent gaf over hoe snel een chipfabriek is afbetaald. Is honderd procent van de productiecapaciteit in de fabriek gevuld, dan is dat iets meer dan vijf jaar. Is dat maar zeventig procent dan is dat, zonder overheidssubsidies, bijna acht jaar. 'Dus je gaat geen fabriek neerzetten tenzij die al 'vol' zit, want binnen vijf jaar zijn de 5-nanometerchips (de huidige generatie, nvdr.) al lang verouderd, eigenlijk na drie jaar al. Je krijgt ze niet afbetaald.'

Dat er vandaag te weinig chips zijn, komt deels door de coronacrisis, maar het is eerder de laatste druppel in een sector zonder productiemarges. 'Die vrees bestond al een tijdje, er is geen buffer in productie-capaciteit en dan verstoort de minste schok de hele productie. Corona was daar één deel van, maar ook bitcoins, watertekort (in Taiwan, waar de meeste 'fabs' staan, nvdr.) en politieke instabiliteit spelen daarin mee. Dat komt bovendien allemaal naar boven op het moment dat hardware een enorme boost kent.'

Meer fabrieken, zeker voor de geavanceerde chips, zetten lijkt de voor de hand liggende oplossing. Al wringt ook daar het schoentje langs meerdere kanten. 'Dat los je sowieso niet in één jaar op, je moet geld verzamelen, een fabriek bouwen, apparatuur kopen bij ASML, die ook al miljoenen kost,' verduidelijkt Verhelst.

'Dat zie ik als een enorme tweestrijd vandaag: je hebt het geld van Apple, Facebook, Tesla enzovoort, waardoor heel de markt een boost krijgt met chips die plots vijftig procent beter presteren. Tegelijk is de productiecapaciteit te laag om onze honger te stillen terwijl dat ook gewoon een kwestie van geld is. Iemand moet investeren om die fabrieken te zetten, maar dat is zo duur en het duurt zo lang om break-even te draaien dat weinigen zich geroepen voelen.'

'Wat mij de laatste jaren vooral opvalt is dat veel bedrijven die traditioneel niet met chips bezig waren, nu wel hun eigen chips maken. Tesla kocht chips bij Nvidia, Apple bij Intel, maar nu zie je dat bedrijven die zeer softwarecentrisch zijn ook hun eigen hardware bouwen. Dat is al een paar jaar aan de gang, maar er kwamen dit jaar wel voorbeelden bij. Tesla heeft met haar D1 Dojo een eigen serverchip om machine learning algoritmes te trainen. Dat zijn systemen met een indrukwekkende complexiteit, en dan zeker van een bedrijf dat eigenlijk weinig chipervaring heeft. Hetzelfde zien we bij Apple die met hun M1 Pro iedereen voorbij steekt terwijl ze (in tegenstelling tot AMD en Intel, nvdr.) geen vijftig jaar ervaring hebben in processordesign.' De reden dat ze dat doen is volgens Verhelst om zichzelf technisch te onderscheiden. 'Chips aangepast voor heel specifieke workloads kunnen heel efficiënt zijn. Ze maken dat je batterij langer meegaat, of dat een toestel bijvoorbeeld augmented reality aan kan. De software is lang de verschilmaker geweest, met de hardware als bijkomstig. Nu zie je dat bedrijven zich weer willen onderscheiden met hardware specs.' Maar chips op maat van het product zijn niet voor iedereen weggelegd. Het zijn dan ook vooral de spelers met bergen cash zoals Google, Facebook, Apple of Tesla, die daar actief worden. 'Je hebt al snel honderden tot duizenden mensen nodig om één chip te ontwerpen, en dan hebben we het nog niet over de miljoenen dollars voor de productie.' Die markt komt voor een groot deel op gang door ontwikkelingen in AI. 'Ik ben daar zelf heel enthousiast over. De AI-golf schudt heel het hardwaredomein door elkaar met nieuwe spelers en nieuw geld, dat geeft een enorme boost aan de markt.' De eeuwige heilige graal blijft om meer transistors op één chip te krijgen. De volgende stap zijn chips op een 3-nanometerproces en later 2 nm, al is Verhelst daar genuanceerd in: 'Niets op zo'n chip is twee nanometer. Dat zijn vooral marketingtermen om generaties aan te duiden. Er zijn ook nieuwe soorten transistoren, maar het komt vooral neer op dichtheid, hoeveel transistoren krijg je op één vierkante millimeter.' Maar nu het moeilijker wordt om meer schakelingen naast elkaar te zetten, kijken de grote spelers naar het stapelen in 3D. 'Je kan lagen boven elkaar zetten en daar is elke speler momenteel over aan het nadenken, dat gaan we op termijn meer en meer zien. AI heeft heel veel geheugen nodig, dus kijkt men naar 3D-integraties. Als alle spelers zich daar achter scharen kan dat enorm vooruit gaan.' Dat maakt het productieproces er niet eenvoudiger of goedkoper op. Een chipfabriek (fab) voor 65-nanometerchips kost 400 miljoen dollar. Voor 7 nanometer is dat al 2,9 miljard dollar. Voor 5 nanometer, de huidige generatie, is dat 5,4 miljard dollar. 'Je hebt dan bijvoorbeeld strained sillicon nodig, bepaalde soorten dopering of lagen. Hierdoor heb je vele extra stappen nodig in het productieproces en elke stap maakt het duurder, langer en gevoeliger aan alle mogelijke parameters. Hoe dieper de technologie, hoe duurder en hoe meer volume je moet produceren om break-even te draaien. Dus ook hoe minder snel er in een nieuwe fabriek wordt geinvesteerd.' Tegelijk is het geen evidentie om zo'n fabriek winstgevend te krijgen in de korte tijd dat de geproduceerde chips nog als spitstechnologie worden beschouwd. Verhelst wijst naar een dia uit een presentatie die ze recent gaf over hoe snel een chipfabriek is afbetaald. Is honderd procent van de productiecapaciteit in de fabriek gevuld, dan is dat iets meer dan vijf jaar. Is dat maar zeventig procent dan is dat, zonder overheidssubsidies, bijna acht jaar. 'Dus je gaat geen fabriek neerzetten tenzij die al 'vol' zit, want binnen vijf jaar zijn de 5-nanometerchips (de huidige generatie, nvdr.) al lang verouderd, eigenlijk na drie jaar al. Je krijgt ze niet afbetaald.'Dat er vandaag te weinig chips zijn, komt deels door de coronacrisis, maar het is eerder de laatste druppel in een sector zonder productiemarges. 'Die vrees bestond al een tijdje, er is geen buffer in productie-capaciteit en dan verstoort de minste schok de hele productie. Corona was daar één deel van, maar ook bitcoins, watertekort (in Taiwan, waar de meeste 'fabs' staan, nvdr.) en politieke instabiliteit spelen daarin mee. Dat komt bovendien allemaal naar boven op het moment dat hardware een enorme boost kent.' Meer fabrieken, zeker voor de geavanceerde chips, zetten lijkt de voor de hand liggende oplossing. Al wringt ook daar het schoentje langs meerdere kanten. 'Dat los je sowieso niet in één jaar op, je moet geld verzamelen, een fabriek bouwen, apparatuur kopen bij ASML, die ook al miljoenen kost,' verduidelijkt Verhelst. 'Dat zie ik als een enorme tweestrijd vandaag: je hebt het geld van Apple, Facebook, Tesla enzovoort, waardoor heel de markt een boost krijgt met chips die plots vijftig procent beter presteren. Tegelijk is de productiecapaciteit te laag om onze honger te stillen terwijl dat ook gewoon een kwestie van geld is. Iemand moet investeren om die fabrieken te zetten, maar dat is zo duur en het duurt zo lang om break-even te draaien dat weinigen zich geroepen voelen.'