Deep Dive: Computerchips

1. Een idee op papier

Elke chip begint als een stapel wensen: “Hij moet deze taken uitvoeren, dit stroomverbruik hebben en niet warmer worden dan X graden.” Ingenieurs tekenen blokdiagrammen – een soort plattegrond – waarop staat waar het reken-gedeelte, het geheugen en alle kleine ‘snelwegen’ komen.Daarna schrijven ze wiskundige beschrijvingen in een speciale “hardware-taal”. Zie het als programmeercode, maar dan om transistors – de mini-aan/uit-schakelaars in een chip – te regelen in plaats van software.

2. Testen vóór er iets wordt gebouwd

Voordat er ook maar één stukje silicium wordt gemaakt, speelt het hele ontwerp maandenlang in een supercomputer-simulator. De simulator voert denkbeeldige programma’s uit en kijkt of er fouten optreden: crasht de chip, blijft hij hangen, haalt hij de afgesproken snelheid? Pas als al die virtuele testen slagen, krijgt het ontwerp groen licht.

3. De plattegrond omzetten naar echt materiaal

Een computerprogramma puzzelt nu miljarden transistors op een vierkante centimeter zo slim mogelijk in elkaar. Het lijkt op het leggen van een extreem ingewikkelde stadsplattegrond: elke straat (koperdraadje) moet kort zijn, nergens mag file ontstaan, en er is maar heel weinig ruimte.

4. Fotograferen met extreem ultraviolet licht

De plattegrond wordt op reusachtige glazen “maskers” gezet. In de fabriek (de fab) belicht een machine van ASML het masker met extreem ultraviolet licht (EUV). Dat licht brandt het patroon in een lichtgevoelige laag op een schijf van zuiver silicium: de wafer. Die foto is vele malen kleiner dan een haar – we praten over lijntjes van minder dan tien miljardste meter breed.

5. Laag voor laag opbouwen

Na het belichten:

1. Een bad met chemicaliën spoelt ongewenst materiaal weg.

2. Een plasmaproces bijt een sleufje in het silicium.

3. Een laag koper of isolatiemateriaal vult dat sleufje.

4. Een polijstmachine maakt de wafer weer perfect vlak.Deze cyclus herhaalt zich honderden keren. Uiteindelijk zitten er tientallen lagen koperwegen en transistoren op en onder elkaar, net een stapel pannenkoeken.

   
   

6. Fouten zoeken (en voorkomen)

Een stofdeeltje dat je met het blote oog nooit zou zien, kan duizenden chips verpesten. Daarom controleren microscopen en röntgenscanners constant of alles nog klopt. Als op één plek te vaak fouten vallen, pauzeert de lijn en maken technici de machine schoon of stellen haar bij.

7. Van wafer naar losse chips

Is de wafer klaar, dan wordt hij in minuscule vierkantjes gezaagd. Elk stukje heet een die. Die komt op een printplaatje terecht, krijgt piepkleine bolletjes tin of koper om contact te maken en wordt ingepakt in zwart kunsstof – het “pakket” dat jij als processor herkent.

8. Kwaliteitsklassen (binning)

Niet elke chip is exact gelijk. De fabriek test ze stuk voor stuk: “Haalt hij 5 GHz? Prima, topklasse!” “Haalt hij maar 4,5 GHz? Oké, een goedkopere variant.” Zo ontstaan de verschillende modellen in één productlijn.

9. Op weg naar de winkel

Na nog meer functionele tests, een laser-logo, en verpakking, vertrekt een chip over zeecontainers en vracht­vliegtuigen naar fabrikanten van laptops, moederborden of – uiteindelijk – naar jouw bureau.

Kort samengevat

Een chip is dus niet “één keer printen en klaar”, maar een maandenlange estafette van ontwerp, simulatie, super­schone lasertechniek, chemie, slijpen, testen en logistiek. Daardoor is dat kleine metalen kapje in je pc een van de meest verfijnde producten die de mensheid maakt.