‘Verschil maken in semicon doe je op systeemniveau’
De chipindustrie zit in een bijzonder interessant tijdvak, economisch gesproken. De krimp op chips vertraagt, het einde daarvan is in zicht en met de stijgende lithografiekosten maken chipfabrikanten heel andere afwegingen dan de traditionele mono-integratie: alle elektronica op een stuk silicium.
De rol van lithografie in de schaling op chips, die een halve eeuw de wet van Moore dicteerde, neemt af. Chipfabrikanten zoeken de uitbreiding van functies en opslag steeds meer in de derde dimensie op chips en in geavanceerde assemblage van verschillende chips in één verpakking.
Jarenlang stond voorop dat het vrijwel altijd loonde om meer functies op chips te zetten. De lithografie zorgde ervoor dat details krompen en er steeds meer functies op hetzelfde oppervlak pasten. De kosten van dat oppervlak bleven navenant gelijk. Fabrikanten van microprocessoren gingen bijvoorbeeld steeds meer geheugen en randfuncties integreren. Op Cmos-chips ging men zelfs RF-functies zetten. Dat was het integratietijdperk.
Eigenwijze fabrikanten die hardnekkig aan kwaliteit vasthielden met duurdere fabricageprocessen of exotische materialen, verloren meestal het pleit. Eenvoudigweg omdat door integratie de kosten per functie richting nul gingen. Zo werd bijvoorbeeld RF CMOS een no-brainer, zeker in toepassingen als wifi. De lagere kwaliteit nam men op de koop toe, consumenten merkten daar toch niets van.
Met de komst van peperdure EUV-technologie maken chipfabrikanten weer andere afwegingen. De kosten van chips uit geavanceerde nodes vanaf 5 nm lopen dermate de spuigaten uit, dat het onder de streep gunstiger is om sommige functies weer in oudere nodes te maken – en de bijkomende verpakkingskosten voor lief te nemen.
Dan krijg je wat ze heterogene integratie noemen: delen van een chip-systeem worden in verschillende processen (nodes) gemaakt en daarna bij elkaar gevoegd. Alleen voor de meest geavanceerde delen zijn dan nog peperdure fabrieken nodig. Onder de streep komen producenten dan goedkoper uit: de meest geavanceerde delen in 3 of 2 nanometer, randfuncties in oudere nodes, inclusief verpakken, is goedkoper dan alles in de nieuwste fabriek maken.
Met evenveel recht valt te beargumenteren dat de meest geavanceerde chipprocessen geen economisch bestaansrecht meer hebben zonder hybride integratie. Dat is ook de reden waarom TSMC met zijn 3DFabric een heel ecosysteem optuigt om deze trend te ondersteunen. Want om betrouwbare systeempackages te ontwikkelen met meerdere chips moet iedereen meedoen. Van EDA-leveranciers, OSAT’s, fabrikanten van geheugenchips, substraatleveranties tot de bedrijven die testmachines leveren.
Voor systeemarchitecten komen er letterlijk en figuurlijk vele dimensies bij. Dat is ook te zien aan de inspanningen in Leuven. Daar werkt de groep voor 3D-systeemintegratie van Eric Beyne bij Imec met systeembedrijven om vroeg in te kunnen schatten welke potentie de technologie binnen een aantal jaar heeft. ‘Een systeem dat we nu bedenken voor marktintroductie over vijf jaar, moet je eigenlijk ontwerpen met de technologie over vijf jaar vanaf nu’, zegt Imec senior fellow Beyne. ‘De technologie van nu is over vijf jaar verouderd.’
Dat is best lastig inschatten. Kunnen die systeemarchitecten erop rekenen dat hun ontwerpen over vijf jaar ook in productie kunnen? Zijn de benodigde backend-processen dan klaar? Beyne denkt van wel. ‘Ik zie een grote drive. Natuurlijk, over vijf of tien jaar zal men nog steeds wirebonders gebruiken. De introductie van nieuwe technologie betekent niet dat de bestaande niet meer nodig is. De grootste volumes zitten dan nog steeds in traditionele packaging met zeer lage marges. Maar als je wilt focussen op hoge marges, op de meeste toegevoegde waarde, dan kom je uit bij wafer-level-packaging en dat soort zaken.’
Het verschil maken, betoogt Beyne, doe je op systeemniveau. De winners zijn de systeemhuizen die de beste keuzes maken in de samenstelling van de systeemhardware in combinatie met de software. ‘Wie het best kan inschatten welke technologie beschikbaar komt binnen vijf jaar en aan de hand daarvan de juiste beslissingen neemt, heeft commercieel gezien een voorsprong.’
