V Belgiji, dva ducata kilometrov od Bruslja, domuje organizacija, za katero smo slišali zgolj tisti, ki se ukvarjamo z industrijo polprevodnikov, pa vendar brez nje ne bi imeli računalniških čipov, kakršne poznamo.
Imecov kampus obvladujejo orjaški obrati s čistimi sobami. V ospredju je poleg visoke upravne stavbe aktualna linija za 300-milimetrske silicijeve rezine. V ozadju na levi je starejša hala, za 200 milimetrov široke rezine.
V aktualni klimi nove geopolitične vročice, ko (vele)sile utrjujejo okope, je postalo modno izpostavljati ključna podjetja v industrijskih panogah, na katerih sloni gospodarska in zato tudi politična moč držav ter celin. Kar se tiče računalništva, vemo, da je Evropa v precej klavrnem položaju, saj nima tehnoloških velikanov ameriškega tipa kakor tudi ne bistvenih proizvodnih obratov za procesorske ali pomnilniške čipe, ki so večinoma doma v Aziji in ZDA. Kot svetlo izjemo bi znala večina tu izpostaviti nizozemski ASML, poglavitnega dobavitelja proizvodne opreme za izdelavo polprevodnikov. Nizozemci so namreč ta hip edini izdelovalci izjemno zapletenih in dragih naprav za litografijo z ekstremno ultravijolično svetlobo, brez katerih ni mogoče izdelati najmodernejših čipov.
Toda v resnici imamo na stari celini še enega zunajserijskega igralca na tej sceni, ki že desetletja bistveno usmerja razvoj in izdelavo polprevodniških vezij po vsem svetu – pa večina zanj sploh še ni slišala. Bržkone zato, ker ne gre za običajno podjetje, katerega delnice bi bilo mogoče najti na borzah, temveč za neprofitno raziskovalno organizacijo s sila zanimivim načinom dela, ki je posebnost industrije polprevodnikov. V belgijskem mestecu Leuven, 25 kilometrov vzhodno od Bruslja, je sedež družbe Interuniversity Microelectronics Centre ali Imec. Tam stojijo najmodernejše čiste sobe in proizvodni obrati v Evropi, kjer se rojevajo tehnologije, ki so podlaga praktično vsaki uporabljeni pametni napravi. Šest tisoč raziskovalcev pod okriljem Imeca narekuje razvoj mikroelektronike na mnogih področjih – in to za desetletje ali več vnaprej.
Flandrijska stava
V začetku 80. let prejšnjega stoletja so se regionalne oblasti v Flandriji, torej severnem oziroma nizozemskem delu Belgije, ukvarjale z vprašanjem, kam vložiti zajetno količino javnega denarja, namenjenega gospodarskemu razvoju. Leta 1981 je na sceno udaril osebni računalnik IBM PC in pod vtisom tehnološke eksplozije v Silicijevi dolini je padla odločitev, da bodo oblikovali ambiciozen raziskovalni center za mikroelektroniko. Za kraj so izbrali Leuven, na videz pohlevno mestece s 100.000 prebivalci blizu Bruslja. To postane bolj razumljivo, če povemo, da je bil Leuven zgodovinsko gledano na geografskem področju današnje Belgije središče znanosti in kulture, kjer je bila leta 1425 ustanovljena slovita katoliška univerza. Njena današnja naslednica je Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven), največja belgijska univerza in ena vidnejših evropskih tehničnih univerz.
»Šnelkurs« fotolitografije
Elementi modernih procesorjev in pomnilnikov imajo dimenzije velikosti nekaj deset nanometrov, torej milijonink milimetra, kar zahteva svojevrstne načine proizvodnje. V silicijeve rezine jih vdelamo skozi proces fotolitografije. Rezino se najprej prevleče s snovjo, občutljivo na svetlobo. Nato se na površino posveti z žarkom, ki spremeni kemično sestavo prevleke, s čimer na njej pusti vzorec, ki ga določa tako imenovana maska. Ko se rezino nato obdela s snovmi za jedkanje, te vanjo izdolbejo vzorec, ki je bil izrisan z obsevanjem. Nasprotni način je depozicija, torej nanašanje materiala, na primer bakra za podatkovne in napajalne povezave. Da pridemo do končnega čipa, gre proces skozi množico izmeničnih operacij odstranjevanja in nanašanja materiala, s katerimi na silicijevi rezini nastajajo strukture, iz katerih so sestavljena logična vezja.
Ključna podrobnost, ki se je izkazala za odločilno pri uspehu tega projekta, je bila sočasna izgradnja tako klasičnih raziskovalnih laboratorijev kakor tudi dejanskih zmogljivosti za pilotsko proizvodnjo. Poleg sedeža ustanove že od njenih zgodnjih časov stoji nekakšna »mini tovarna« z najmodernejšimi zmogljivostmi v posamezni tehnološki generaciji, ki pa ni namenjena množični proizvodnji, temveč prvenstveno raziskavam ter inženiringu. Na ta način je Imec zelo hitro po uradni ustanovitvi, leta 1984, pridobil kritično maso partnerjev v industriji, ki jih je privabila ravno možnost eksperimentiranja ob zadnjih krikih tehnike v panogi. Proizvodnja polprevodnikov je ena najdražjih in tehnično najzahtevnejših v obstoječi industriji, kjer zgolj posodabljanje procesa na novo generacijo v eni sami tovarni pomeni stroške v višini več deset milijard evrov. Za proizvajalce ali njihove pogodbenike je zato možnost poglobljenega spoznavanja tehnologije, preden se sami odločijo za naložbe, neprecenljiva. In to je veljalo že sredi 80. let prejšnjega stoletja.
Roger Van Overstraeten si je z vodstvom Imeca prislužil baronski naziv. Družbo je vodil do leta 1999, ko je preminil po daljši bolezni. Danes je na čelu Luc Van den hove.
Regionalne in belgijske oblasti so projekt takrat zagnale z 62 milijoni evrov, kar bi bilo danes približno 200 milijonov evrov. To je bila večina takratnega javnega fonda, namenjenega inovacijam, kar pomeni, da so Belgijci s stavo na enega samega konja precej tvegali. A v tem primeru se je politični pogum odlično spojil s trdno strokovno vizijo, katere jedro je bila skupina belgijskih strokovnjakov, ki so se šolali na ameriških univerzah in so torej že zelo dobro ter od blizu poznali ustroj Silicijeve doline. Na čelu je bil profesor z univerze v Leuvenu, Roger Van Overstraeten, ki je izobrazbo pridobil na Stanfordu, ki je postal glavni ustanovitelj ter prvi izvršni direktor Imeca. Da je ekipa že zelo zgodaj vedela, kaj hoče in kako se lotiti izzivov, kaže izražena namera ob ustanovitvi, da se bo »Imec ukvarjal z raziskavami v mikroelektroniki, ki bodo od tri do deset let pred tekočimi potrebami industrije«. To se pravi: ko bodo v podjetjih iskali nove tehnične nadgradnje, bo Imec že lahko nastopil s spiskom potencialnih odgovorov.
Nevtralno ozemlje
To pa je bila šele prva od domiselnih potez, ki so utrle pot do prevlade belgijskega inštituta. Kljub hitremu oblikovanju raziskovalnega in partnerskega ekosistema so v Imecu na prehodu v 90. leta ugotovili, da jih obstoječi načini industrijskih raziskav bistveno omejujejo. Uveljavljene oblike partnerstev s podjetji niso zmogle zagotoviti dovolj zasebnega denarja za stalno posodabljanje tovarniškega oddelka ustanove, težave pa je povzročalo tudi razdrobljeno lastništvo patentov. V začetku 90. let so zato zasnovali sodelovalni model Imec Industrial Affiliation Program ali IIAP, ki je postal zlati standard za razvojno sodelovanje in je pomenil bistveni katalizator za inovacije v polprevodniški panogi. In sicer predvsem na način, da je že omenjene visoke stroške razvoja ter implementacij novih tehnologij učinkoviteje razpršil, obenem pa za isto mizo posedel tudi akterje, ki so bili tržno gledano sicer tekmeci.
Čeprav je v Imecu praktično ves čas zbrana smetana industrije polprevodnikov, podrobnosti zaradi poslovnih skrivnosti le redko zapustijo njegove hale. Tudi poznavalci jih lovijo po drobcih, skozi predavanja ali znanstvene objave.
Proces izdelave čipov je tehnično izjemno zapleten, z mnogimi proizvodnimi koraki, kar pomeni množico različnih pogodbenikov, ki pokrivajo določeno fazo procesa. ASML je pri izdelavi optičnih elementov za svoje stroje odvisen od Zeissa, industrija v malem pa je tudi izdelava na svetlobo občutljivih snovi, ki odločajo o tem, kakšen vzorec bo izrisan na silicijevo rezino, da se ga bo nato izjedkalo. Za čim bolj tekoč razvoj je idealno, če se vsa ta podjetja lahko zberejo pod isto streho, in Imec s svojimi laboratoriji ter eksperimentalno proizvodnjo ponuja ravno takšno »nevtralno ozemlje«, kjer lahko družbe v iskanju skupnih koristi za hip pozabijo na medsebojne zamere. Raziskave so torej v takem režimu zasnovane projektno, pri čemer pogodbe določajo vse – od delitve stroškov do tega, kdo in na kakšen način obdrži patente, do katerih pripeljejo odkritja. Po koncu projektov gredo akterji vnovič vsak svojo pot. Množica takšnih sodelovanj Belgijcem omogoča, da so imeli lani prihodke v višini 940 milijonov evrov, se pravi precej več, kot bi jih lahko dosegli zgolj z javnim denarjem. In ker gre še vedno za neprofitno organizacijo, se večina tega denarja prelije neposredno v nadgradnje tehničnih zmogljivosti.
Forksheet, Imecov vmesni tranzistor
Eden bistvenih problemov, ki jih s seboj prinaša krajšanje mer v elektroniki, je izguba nadzora nad tokovi v tranzistorju. Temu je bil v preteklem desetletju namenjen prehod na aktualni tip tranzistorja FINFET, kjer ima kanal obliko »plavuti«, ki jo vrata objemajo s treh strani, kar ponuja boljši nadzor nad proženjem.
Trenutno v vrhu proizvodnje poteka prehod na tip tranzistorja nanosheet, kjer ima kanal obliko lističev, ki jih vrata objemajo z vseh strani.
Naslednja stopnica razvoja, ki je trenutno še na laboratorijski ravni, so tranzistorji CFET (complementary FET), ki v enem tranzistorju združujejo polprevodnika tipov p in n, iz katerih je sicer sestavljena dvojica tranzistorjev, kar predstavlja osnovno celico vezij CMOS. To bi lahko v prihodnosti teoretično prepolovilo velikost vezij. Pot do tja pa bo najverjetneje vodila skozi vmesno stopnjo, ki so se je domislili Belgijci: tranzistorja vrste forksheet, ki je sestavljen iz dveh polovic, ene z lističi polprevodnika tipa p in druge polprevodnika tipa n, ki sta ločeni s pregrado izolatorja (oziroma dielektrika). Ta vrsta tranzistorjev naj bi bila podlaga tehnologij z oznako A10 nekje okoli leta 2029.
Kljub opisani premisi o nevtralnem ozemlju pa velja, da ima Imec še posebno tesno povezavo z ASML, s katerim sicer sodelujejo že od konca 80. let. Poznana je anekdota z začetka tisočletja, ko je panoga prehajala na 157-nanometrski proizvodni proces. Ta je povzročal specifične težave z optiko, ki so inženirje pripravile do tega, da so se lotili potopne litografije, kjer je silicijeva rezina potopljena v vodo, kar izboljša nadzor nad svetlobo, ki pada na fotoodporno prevleko. ASML je takrat v Imec prvi pripeljal prototip takšne naprave, s čimer je prehitel glavna industrijska tekmeca, japonska Canon in Nikon. Razvoj in seznanjanje industrijskih strokovnjakov s potopno litografijo sta se tako odvijala na nizozemskih strojih, s čimer si je ASML izboril prednost, ki jo vzdržuje še danes in je razlog, da je trenutno edini snovalec naprav za proizvodnjo z ekstremno ultravijolično svetlobo. Dandanes ASML in Imec v praksi pri marsičem delita razvojne prostore.
Montaža najnovejšega, prototipnega stroja iz ASML za EUV litografijo z visoko numerično aperturo lahko nakaže, s kako kompleksno tehniko rokuje proizvodnja čipov – in zakaj je integracija različnih podizvajalcev tako važna.
Od fotonike do zdravil
Za primer, kaj lahko v praksi ponuja takšen tehnično tesno integriran način raziskav, služi koncept superprevodnega superračunalnika, ki so ga objavili lani. Ta gradi na dejstvu, da pri pojavu superprevodnosti ni več gretja zaradi potovanja nosilcev naboja po vodnikih, zato odpade tudi potreba po odvajanju toplote v klasičnem smislu, kar pomeni, da bi bilo mogoče čipe sestavljati iz mnogih, tesno spojenih rezin. Imecovi raziskovalci so preračunali, da bi iz sto »nadstropij« debelih čipov lahko sestavili superračunalnik, ki bi v prostornini velikosti škatle za čevlje nosil zmogljivost 20 eksaflopov, kar je več kot danes zmore najhitrejši od obstoječih superračunalnikov. Pri tem so zasnovali vse: od novega tipa superprevodnega tranzistorja pa do integriranih vezij in celotne arhitekture, kjer je računski del potopljen v tekoči helij pri štirih kelvinih, nakar ga inovativno stekleno vodilo spaja z delovnim pomnilnikom pri bolj »vročih« 77 kelvinih. In ker imajo na voljo kapacitete, so eno od takšnih prototipnih procesnih plošč dejansko tudi izdelali. Trenutno se ukvarjajo z izzivom vertikalnih superprevodnih povezav, kjer gre za enega od mnogih predlogov, kako zmanjšati porabo strojne opreme za poganjanje umetne inteligence.
Še bolj ekstremna svetloba
Tehnološka prevlada ASML trenutno temelji na obvladovanju procesa tako imenovane ekstremno ultravijolične (EUV) litografije. To pomeni, da ima svetloba, s katero obsevamo površino silicijeve rezine, valovno dolžino s tega dela spektra, in sicer natančno 13,5 nanometra. Prehod na še manjšo valovno dolžino, ki bi teoretično omogočila izdelavo še manjših elementov, trenutno še ni v načrtu, zato se razvoj odvija v drugo smer – kako pri obstoječi valovni dolžini povečati jakost svetlobe in s tem natančnost izrisovanja vzorcev z maske. To postavko v mnogočem določa tako imenovana numerična apertura (NA) optičnega sistema, to je brezdimenzijska količina, odvisna od mer glavnih leč in zrcal. Aktualna tehnologija EUV ima NA vrednosti 0,33, naslednja generacija pa bo imela vrednost 0,55 in se imenuje high-NA EUV. Gre za ogromen tehnični izziv, saj za takšno aperturo potrebujemo optične elemente orjaških dimenzij: glavno Zeissovo zrcalo v prihajajoči napravi iz ASML ima premer več kot enega metra in maso več sto kilogramov.
Imecov portfelj vsebuje množico tovrstnih zanimivih tehničnih domislic, ki včasih ne peljejo nikamor, a jih je bilo treba preizkusiti, spet drugič pa ponudijo nadaljnje ideje za razvoj drugod. Leta 2017 so pokazali nevromorfni čip za sintetiziranje glasbe; se pravi vezje, ki dejansko fizično posnema nevronske mreže. Ta se sicer ni prelevil v konkreten izdelek ali zagonsko podjetje, toda izkušnje z uporovnim pomnilnikom in arhitekturo so našle svoje mesto v poznejših napravah, kot je Intelova nevromorfna platforma Loihi. Fokus se je s strogega razvoja računskih vezij sčasoma razširil na veliko drugih področij, kjer kraljuje mikroelektronika; najprej je bila to že v 90. letih energetika, medtem ko danes vse več raziskav zajema medicino, predvsem senzoriko in biokibernetske vsadke. Letošnjo pomlad so predstavili rešitev za natančnejše stimuliranje vagusnega živca. Gre za najdaljši živec človekovega avtonomnega živčnega sistema, kjer je z njegovo aktivno stimulacijo mogoče omiliti različna obolenja, kot sta epilepsija in depresija. Toda ker je zelo debel, lahko takšna stimulacija nehote sproža stranske učinke, kot so motnje govora. Imecovi inženirji so razvili način stimulacije, ki z interferenco električnih pulzov meri na točno določene dele živca.
Leta 2008 so Belgijci prvič pokukali iz flandrijskih okvirov in odprli podružnico v Tajvanu. Sledili sta dve severnoameriški, na Floridi in v Kaliforniji, medtem ko trenutno nov raziskovalni center raste še v španski Malagi. Te lokacije so edine, kjer trenutno potekajo raziskovalni projekti, pri čemer jih je daleč največ še vedno v centralni izpostavi v Leuvnu. Poleg lahko prištejemo še laboratorij v nizozemskem Veldhovnu, ki ga Imec upravlja družno z ASML in je bil namensko ustanovljen za raziskave ekstremno ultravijolične litografije z visoko numerično aperturo. Danes ni podjetja v industriji polprevodnikov, ki ne bi sodelovalo z Imecom, saj so koristi enostavno prevelike. Morebitnega raziskovalnega inštituta, ki bi zmogel konkurirati njegovemu načinu dela, ni uspelo na noge postaviti še nikomur, kar je svojevrstna zanimivost. Ni torej presenetljivo, da družina konferenc Imec Technology Forum (ITF) velja za de facto zbirališče stroke in kraje, kjer lahko izvemo za zadnje raziskovalne preboje s tega področja. Centralni dogodek iz te skupine je ITF World, ki se običajno maja odvije v Antwerpnu. Kdor želi pozorneje spremljati proizvodnjo čipov, ga ima vestno zabeleženega na koledarju.
