De transistor vierde op 16 december 2007 zijn zestigste verjaardag en verkeert in blakende gezondheid – zeker in siliciumgesteunde geïntegreerde schakelingen, alias ‘chips’. In die chips blijft de wet van Moore nog steeds van kracht en daar doen u en ik ons voordeel mee. Mede dank zij het Nederlandse ASML en het Belgische Imec.

Toen John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley in 1947 de eerste transistors bouwden, waren niet alleen de dagen van de grote, dure en stroomhongerige elektrische lampen geteld. Ze legden de basis voor een industrie waarvan de producten vandaag schier universeel worden aangetroffen (letterlijk universeel, want ook aan boord van ruimtetuigen). Toch leken transistors niet meteen zo’n hoge vlucht te zullen nemen, wegens te groot en duur (een hedendaagse computer bouwen met behulp van losse transistoren is niet haalbaar omwille van omvang en kostprijs). Dat veranderde evenwel in 1958 met de ontwikkeling van de eerste geïntegreerde schakelingen, en vervolgens de siliciumgesteunde ic’s. In 1965 formuleerde Gordon Moore dan zijn befaamde wet die stelt dat om de 18 maanden het aantal transistors op een bepaald oppervlak verdubbelt. Meteen goed voor steeds meer functionaliteit op dat oppervlak of snellere chips (bij een zelfde functionaliteit op een kleiner oppervlak).

Het oorspronkelijk lithografische proces voor de productie van chips is genoegzaam bekend. Een siliciumschijfje wordt bedekt met lichtgevoelig materiaal, de film met het chippatroon wordt erop gelegd, belichting, het overbodige materiaal wordt weggeëtst en dat wordt dan weer herhaald tot het schijfje met chips klaar is.

ASML en Imec

Naarmate de elementen in een chip bleven verkleinen, werd er in de jaren zeventig gewerkt aan nieuwe belichtingssysteemen en hierin speelde het Nederlandse ASML een uiterst belangrijke rol. Ooit begonnen als een onderzoeksproject en later een afdeling van Philips verwierf ASML een leiderspositie door de introductie van de eerste steppersystemen. Nog later stapte men over op scanningsystemen en lichtbronnen met steeds kortere golflengten, waardoor het bedrijf uit Veldhoven (nabij Eindhoven) een marktleider bleef. De nieuwste ontwikkelingen voorzien in het gebruik van vloeistoffen tussen de lens en het siliciumschijfje, en in het gebruik van een extreem UV-lichtbron. Hiervan leverde het bedrijf vorig jaar de eerste prototypes, onder meer aan het Leuvense Imec. Met die laatste onderhoudt ASML nauwe banden met het oog op de ontwikkeling van productieprocessen en het gebruik van randapparatuur, chemicaliën en dies meer. Bij die samenwerking zijn ook de grote chipproducenten betrokken.

Imec heeft voorts massa’s ideeën over wat je met al die transistors in een chip kan aanvangen. Imecs ‘Holst centrum’ in de buurt van Eindhoven werkt onder meer aan steeds kleinere toestellen met een maximale functionaliteit inzake sensors, monitoringsystemen etc. Zo wordt het mogelijk om uiterst compacte medische monitoringsystemen te bouwen, zodat patiënten of chronisch zieken vanop afstand kunnen worden opgevolgd en tegelijk een normaal leven kunnen leiden. Maar ook industriële en andere oplossingen behoren tot de mogelijkheden voor al die transistoren op een chip ook nog andere plannen.

Rek voor de toekomst

Na de doorbraak van de transistor in de vorm van geïntegreerde schakelingen (ic’s) in silicium, werd er wel nog onderzoek gedaan naar ic’s uit andere materialen, zoals GalliumArsenide (voor gespecialiseerde, snelle communicatiechips). Recent werden ook belangrijke doorbraken gemeld om ‘compound chips’ te creëren (chips die silicium met andere stoffen als bijvoorbeeld Indium combineren), evenals het gebruik van nieuwe stoffen voor meer efficiënte ‘poorten’. Ook geheel nieuwe chipontwerpen met bijvoorbeeld een 3D-structuur of op basis van koolstof nanobuisjes worden bestudeerd. Nieuw en vandaag al in productie zijn ook de ‘organische transistoren’, die bijzonder makkelijk produceerbaar zullen zijn en allicht binnenkort zullen worden aangewend voor spotgoedkope rfid-tags waar onder meer Imec onderzoek naar heeft verricht.De explosieve groei van het aantal transistoren in een chip heeft wel voor bijkomende complicaties gezorgd. In de hedendaagse processoren tref je immers verscheidene verwerkingskernen aan (multicore processors), met heel veel geheugen (snel on-chip cachegeheugen) en niet zelden ook meer gespecialiseerde functies (bijvoorbeeld voor signaal- of beeldverwerking). Vooral de softwarebouwers hebben er een stevige klus aan om de mogelijkheden in multicore- en cellprocessoren (o.a. in de PS3) ten volle te benutten. Zo moeten er middelen worden gevonden om op een efficiënte manier sterk geparalleliseerde toepassingen te ontwikkelen – een probleem dat niet nieuw is, maar nu wel bijzonder acuut wordt. Zekere als het aantal verwerkingskernen in de komende jaren op zijn beurt snel zal toenemen. Dan zullen gebruikers zoals u en ik werkelijk het volle pond halen uit het aanhoudende succesverhaal van transistors en chips.

Guy Kindermans