Best of: Is het uit met de wet van Moore?

De stelling dat computerkracht om de paar jaar verdubbelt komt steeds meer onder druk. Maar is de Wet van Moore nu dood, of kan hij nog even in leven worden gehouden?

‘In Silicon Valley beginnen pitches van start-ups tegenwoordig steevast met de zin “Nu Moore’s Law dood is”, maar ik ben er zelf nog niet zo van overtuigd.’ Aan het woord is Uri Frank, die verantwoordelijk is voor duurzaamheid in de datacenters van Google. ‘Ik zou niet meteen zeggen dat ie al effectief dood is, maar hij is wel aan het vertragen,’ voegt hij er aan toe. Het al dan niet overlijden van de wet van Moore is al jaren voer voor discussie, en die is nu actueler dan ooit, in tijden van ongeziene nood aan transistors en wereldwijde chiptekorten.

U kent de wet van Moore als een van de basisregels die de technologische vooruitgang de voorbije vijftig jaar stuurde. Hij stelt dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling elke twee jaar verdubbelt. Daarmee gepaard gaan idealiter ook de snelheid en de rekenkracht van onze computersystemen de hoogte in, terwijl de prijzen voor die chips naar beneden gaan. In zijn originele stelling schreef Gordon Moore, een van de oprichters van Intel, trouwens dat het aantal transistors elk jaar zou verdubbelen, hij paste dat later aan naar twee jaar. En nu is het misschien tijd om die wet nog eens bij te stellen.

Overal muren

Dat de wet van Moore zijn beste tijd gehad heeft, is al langer duidelijk. Toen Moore zijn observatie maakte, stonden er 64 transistors op een chip, we zitten ondertussen aan meer dan honderd miljard. Nieuwe generaties van chips werken met nodes van 7 nanometer en zelfs 5 nanometer. Om nog kleiner te gaan, loop je stilaan tegen de limieten van de fysica aan. Het ontwikkelen van chips en architecturen op die schaal is bovendien erg kostelijk, en vooruitgang richting nieuwe technologieën kan lang duren. De collectieve chipindustrie is echter nog niet van plan om het principe binnen afzienbare tijd te begraven.

‘Moore’s law kan en mag niet stoppen’, zegt Luc Van den hove, CEO van imec, op de Future Summit-conferentie die zijn bedrijf in Antwerpen hield midden mei. ‘We hebben nog altijd de werkkracht en complexiteit nodig die nieuwere, kleinere en goedkopere chips kunnen brengen.’ Hij spreekt voor eigen winkel, want imec is een van de grotere ontwikkelaars van nieuwe chiptechnologie in Europa.

Maar hij ziet wel de moeilijkheden. Zo naderen we de grenzen van wat we met de huidige technologie voor lithografie (het eigenlijke belichten dat nodig is om de chips te maken) kunnen doen. ‘We zien ook dat het toenemen van ‘performance’ in nieuwe toestellen aan het vertragen is’, zegt Van den hove. ‘Er is een ‘memory wall’ die we moeten oplossen, waarbij de connectie tussen het geheugen en het systeem niet meer kan bijbenen met de snelheid van het systeem zelf. Ook een ‘power wall’ moet opgelost worden: we hebben nieuwe koelingssystemen nodig om de hitte uit onze chips weg te krijgen.’

Van den hove maakt zich sterk dat die problemen wel een oplossing vinden. Met nieuwe materialen voor chips, bijvoorbeeld, en nieuwe vormen van lithografie. ‘De roadmap kreeg daar een boost met de ontwikkeling van EUV (extreme ultra-violet, waarbij de buitenste bandbreedte van ultraviolet licht wordt gebruikt met golflengtes van 13,5 nm, nvdr.). Nu hebben we een volgende versie daarvan nodig om chips van kleiner dan 2 nanometer te maken.’ Ook nieuwe transistorarchitecturen moeten vooruitgang bieden. Denk dan aan chipontwerpen waar er meerdere lagen op elkaar liggen in een ‘stack’, in plaats van naast elkaar, om plaats te sparen.

Het duurzaamheidsprobleem

Nog zo’n ‘muur’ waar de sector over moet? Het sustainability-verhaal. ‘Het bouwen van halfgeleiders heeft een stevige CO2-voetafdruk’, aldus Van den hove. ‘We moeten daar rekening mee houden bij het ontwikkelen. Onder meer de elektriciteit en het water die nodig zijn om halfgeleiders te bouwen, moeten naar beneden. ‘Om dat voor mekaar te krijgen moet je die verschillende deep tech ecosystemen samenbrengen.’

Alvast één manier om het ecosysteem samen te brengen is, en we durven het bijna niet zeggen, het semiverse. Niet te verwarren met het metaverse, al lijkt het er toch wat op. ‘Halfgeleiders zullen de kern uitmaken van zowat alle oplossingen die we voor de klimaatverandering kunnen vinden.’ Aan het woord is Tim Archer, CEO van Lam Research. Om die halfgeleiders te kunnen blijven ontwikkelen en vernieuwen, voorziet hij het genoemde semiverse, een hybride tussen een fysiek en virtuele omgeving ‘waar testen en ontwikkeling kan gebeuren door mensen en machines.’

Het idee daarachter is dat één laboratorium of bedrijf er niet in zijn eentje zal komen om oplossingen te vinden voor de uitdagingen waar we momenteel voor staan. Dat kan beter met een samenwerkingsplatform op niveau van het hele ecosysteem, met ‘digital twins’ van de laboratoria en testomgevingen die nu al gebruikt worden. Denk daarbij bijvoorbeeld aan enkele researchers die in het imec-laboratorium in Gent aan het ontwikkelen zijn, en daar even de raad van hun Amerikaanse collega bij vragen. Die collega zou dan in de virtuele versie van dat laboratorium, via een digital twin eigen testen kunnen uitvoeren zonder de Atlantische Oceaan over te moeten vliegen. ‘Zo krijg je brainstorming en conceptvalidatie die er nu niet is. Dat gaat de tijd van de ontwikkelingscyclus sterk inkorten’, aldus nog Archer. De digital twins moeten bovendien mogelijk maken dat nieuwe ideeën en architecturen in een virtuele omgeving worden uitgeprobeerd voordat je er het nodige materiaal voorgaat bouwen in de ‘echte’ wereld. ‘Het uiteindelijke doel is om een volledig virtueel model te bouwen van een lab en een fab.’

It’s the economy, stupid

Volgens Gartner gaat de markt voor halfgeleiders nog een tijdje blijven groeien. Ze zou in de komende acht jaar nog verdubbelen en tegen 2030 moet de chipindustrie tot 1 biljoen dollar waard zijn. De chips hebben dan ook steeds meer afzetmarkten, denk daarbij aan auto’s, smartphones, IoT en meer ‘De wet van Moore is een economische wet’, zegt Peter Wennink, CEO van ASML, het Nederlandse bedrijf dat machinerie maakt voor het bouwen van chips en momenteel bijvoorbeeld de enige is die EUV-machines maakt. ‘Het draait om waarde en kost. Wat bedrijven nodig hebben is de meeste waarde aan de laagste kost.’ Om die trein aan de gang te houden, pleit ook hij voor samenwerking over het hele systeem. ‘De industrie is zo complex dat het zonder die samenwerking niet zal gaan’, zegt hij.

‘Het zijn hoe dan ook spannende tijden’, zegt nog eens Uri Frank van Google. ‘Problemen zijn er om te worden opgelost, maar we hebben erg veel innovatie nodig om met de Wet van Moore verder te gaan.’