Deze week focussen we op de Bolero-blog op halfgeleiders. Hieronder presenteren we je een algemene inleiding waarin we je uitleggen wat een chip is, wie ze maakt,... Vanaf morgen gaan we dieper in op een aantal halfgeleiderbedrijven uit België en Nederland zodat je perfect weet wat ze precies doen. Wij laten ons hiervoor bijstaan door twee deskundigen: de KBC Securities-analisten Thibault Leneeuw en Guy Sips. 

Morgen komt ASMLaan de beurt, woensdag volgt ASMi, donderdag presenteren we BESIen vrijdag bespreken we Melexisen X-Fab. Vrijdag sturen we ook een zeer uitgebreid Topic door, waarin de we halfgeleiders nóg dieper ontleden.

Inleiding

In de wereld van stroom en elektriciteit onderscheiden we drie soorten materialen:

1) Geleidend, bijvoorbeeld koper, waar de stroom moeiteloos doorheen kan;
2) Isolerend, bijvoorbeeld rubber, glas of diamant, dat nauwelijks elektrische stroom doorlaat;
3) half geleidend, bijvoorbeeld silicium of germanium, dat isolerend is, maar, wanneer er energie op wordt losgelaten, geleidend wordt.

Wat is een chip?

Chips (of semiconductors of halfgeleiders) zijn gemaakt van een flinterdun laagje halfgeleidermateriaal, meestal silicium, niet groter dan de nagel van je pink. Dit is de basis van de chip en heet een ‘wafer’.

Via chemische processen worden er op het silicium allerlei laagjes en ionen toegevoegd om er transistoren op te zetten. Een transistor is een schakelaar die open of toe kan staan. Stuur je een bepaalde elektrisch signaal dan gaat de transistor open en krijgt de volgende trap, een ‘1’ binnen. Stuur je een ander soort signaal, gaat de transistor toe. Dat is dan een ‘0’. Transistoren die samenwerken kunnen binair rekenen.

Op een chip konden er in de jaren ‘70 duizenden schakelaars of transistoren staan. Op de meest geavanceerde chips staan er vandaag meer dan 50 miljard schakelaars. Eén schakelaartje is drie nanometer breed. Ter vergelijking: een menselijk haar is tussen de tien en de 100 micrometer. Dat is 10.000 keer groter dan die schakelaartjes. Een rode bloedcel is één micrometer. Het coronavirus is 100 nanometer groot. De breedte van een DNA-streng is ongeveer zo groot als één schakelaar.

Hoe wordt een chip gemaakt?

Van elke chip bestaat een plan over hoe die chip er moet uitzien. Dat is een negatief (mask). Vervolgens wordt er licht door het negatief gestuurd. Dat licht wordt door heel veel lenzen en spiegels gigantisch verkleind tot een superkleine oppervlakte (lithografie). En zo wordt het patroon van het negatief geprint op het siliciumvlak (de wafer). Daarna volgt het etsen (etching) en het deponeren van materialen (deposition). CMP staat voor chemical mechanical polishing. Als we de cyclus willen herhalen, zorgt CMP voor een vlak oppervlak.

Al tientallen jaren lopen de chipproducenten tegen de wetten van de fysica. Elke keer vindt er wel iemand een oplossing om de schakelaars net wat kleiner te maken. Ze kunnen nu nog iets kleiner worden, maar dan kom je stillaan in de buurt van de grootte van atomen.

Daarom worden er nu in 3D-chips gebouwd. In plaats van een vlak plaatje, wordt er nu geëxperimenteerd met het bouwen van schakelaartjes in de hoogte. Hoe meer schakelaars op een wafer, hoe groter de rekenkracht van de chip en daar draait het allemaal om.

Wie doet wat?

In eerste instantie hebben we de bedrijven die de apparaten maken die nodig zijn voor de productie van halfgeleiders (WFE of Wafer fab equipment). Op de tabel hieronder zijn ze te zien onder Semi Equipment.

Zij verkopen hun tools aan chipsfabrieken, de bedrijven die de chips maken (zie Semi Manufacturing). TSMC en X-Fab ontwerpen de chips niet zelf, in tegenstelling tot Semi Design-bedrijven. Intel , Samsung , Micron  en SK Hynix zijn integrated device manufacturers (IDM’s): zij ontwerpen en produceren hun eigen chips.

TSMC produceert chips die ontworpen zijn door Apple , NVIDIA , Melexis ,…

Er zijn niet veel chipsfabrieken die de nieuwste ‘drie nano’-chips kunnen maken: het Taiwanese TSMC, Samsung  in Korea, Intel in Amerika en Global Foundries (zowel VS als EU). De oudere technologieën, waarbij de chips iets groter zijn, worden gebruikt door X-Fab, dat zelf eerder inzet op sensoren voor de automobielsector.

Case: de GPU’s van NVIDIA voor AI

NVIDIA ontwerpt momenteel veel chips voor artificiële intelligentie (AI). Een ervan is de hoogstgeavanceerde GPU (graphics processing unit). Ze laten die maken bij TSMC. TSMC gebruikt daarvoor zowel de toestellen van ASML , LAM Research ,…

Zo’n GPU kan 20 biljard operaties per seconde (20 beta flops) uitvoeren. Dat is 20 miljoen keer een miljard operaties in een seconde. Bedrijven als Open AI staan in de wachtrij om zulke chips te kopen. Momenteel kost zo één chip 10.000 dollar.

De hele recente AI-(r)evolutie is er gekomen, omdat de AI-chips zo goed zijn geworden. Veel van de huidige ideeën bestonden reeds in de jaren ‘70 en ‘80 maar er was geen rekenkracht. Het neuraal netwerk in de AI-algoritmes is een concept dat al 40 jaar oud is. Pas nu is de rekenkracht en de enorme hoeveelheid data voorhanden, waardoor zulke neurale netwerken ontwikkeld kunnen worden.

Zo, hiermee eindigen we de eerste blogpost van vijf over halfgeleiders. Morgen komen we terug en bespreken we ASML.