Op geïntegreerde schakelingen (chips) passen ieder jaar meer onderdelen: tegenwoordig telt een processor meer dan 2,5 miljard transistoren op een plakje silicium ter grootte van een postzegel. Die onderdelen moeten steeds meer en steeds sneller gegevens met elkaar uitwisselen. Zo gaan er tussen de verschillende rekeneenheden (‘cores’) van een processor vaak vele miljarden bits (gigabits) per seconde heen en weer. Ook moeten de rekeneenheden grote hoeveelheden gegevens van en naar het geheugen op een chip sturen.
De datacommunicatie tussen die eenheden vindt plaats met metalen verbindingen. Dat zijn kleine koperbaantjes die als een soort snelwegen op de chips zijn gelegd om de verschillende componenten met elkaar te verbinden. De draadjes zijn klein – minder dan een halve micrometer in doorsnede en een paar millimeter lang. En ze zijn vijf tot tien keer zo langzaam als de schakelsnelheid van transistoren. Daarmee vormt de koperbedrading een rem op de communicatiesnelheid, zorgt voor extra stroomverbruik en verhoogt de kans op fouten.
Tijdens zijn studie elektrotechniek aan de Universiteit Twente was Daniël Schinkel al veel bezig geweest met communicatiesystemen: draadloze digitale communicatie van audiosignalen. Dus toen er een onderzoeksplek vrij kwam voor digitale communicatie in geïntegreerde schakelingen, had dat meteen zijn interesse. Schinkel: “De industrie probeert het probleem te omzeilen met een methode die vergelijkbaar is met wat men vroeger in diepzeekabels voor telefonie deed: de draadjes worden op gezette afstanden – bij een chip iedere paar millimeter – onderbroken, en met versterkers wordt het signaal gerepareerd. Ik wilde kijken of dat niet beter kan.”
Computersimulaties
Schinkel voerde zijn onderzoek uit met een andere promovendus, Eisse Mensink. Samen onderzochten ze de eigenschappen van de draadjes op een chip nauwkeurig. Na een uitvoerige literatuurstudie deden ze de eerste simulaties in de computer. Schinkel: “De draden worden traag door een aantal dingen: weerstand, capaciteit en het skineffect – de eigenschap dat de stroomdichtheid hoger wordt aan het oppervlak van een geleider.”
Na het eerste jaar kon de eerste demonstratiechip worden gebouwd in 130nm Complementary Metal Oxide Semiconductor of CMOS-technologie, en was de apparatuur ingericht om metingen aan de chip te kunnen doen. Zo’n meetopstelling is op zichzelf al een uitdaging, legt Schinkel uit: “Dat gaat met een zogeheten ‘probe station’ – dat is een grote verzwaarde tafel, met daarop armen die zeer nauwkeurig gepositioneerd kunnen worden zodat via kleine naaldjes signalen met heel hoge frequenties in een chip overgebracht kunnen worden. Zo’n probe station is ontzettend gevoelig. Als je de set-up per ongeluk aanraakt, is de hele meting verstoord. Het vergt enige tijd om de meetopstelling zo goed te krijgen dat je de elektromagnetische signalen meet die je zoekt.”
Op de demonstratiechip hadden de onderzoekers een aantal zenders en ontvangers aangebracht, verbonden met verschillende soorten koperbaantjes, die in een serpentine over het silicium waren gelegd. Zo kon de testchip het beste een grote industriële chip simuleren. Vier dingen werden onderzocht: ten eerste, of de draadjes zelf geoptimaliseerd kunnen worden voor hogesnelheidscommunicatie. Ten tweede, of de elektromagnetische interferentie tussen de draadjes te reduceren valt. Ten derde, met welke signaalmethode de gegevens het beste over de draadjes gestuurd kan worden. En ten vierde: hoe de datacommunicatie zo zuinig mogelijk met stroom kan omgaan.
Schinkel: “Het bleek dat de eerste onderzoeksvraag positief kon worden beantwoord: de draadjes geleiden veel beter signalen als ze aan de ontvangstkant een afsluitweerstand krijgen of aan de zenderkant een capaciteit. De tweede vraag bleek ook eenduidig te beantwoorden: leg de draadjes in gevlochten aderparen op het silicium, en je krijgt een veel beter signaal. Voor wat betreft de derde vraag hadden we becijferd dat pulsbreedtemodulatie weleens heel geschikt kon zijn om de datacommunicatie te versnellen. We wilden kijken of je deze techniek ook op zo’n kleine schaal kunt toepassen.”
Chipdesign
De resultaten daarvan waren zo opzienbarend dat ze op de grootste conferentie voor chipdesign in San Francisco gepresenteerd werden. Schinkel: “Duizenden toponderzoekers en heel Silicon Valley komen daar bijeen. We kregen echt het gevoel: we zitten midden in de IC-designwereld, en collega’s kunnen echt iets met ons onderzoek.”
In het derde jaar kwam de laatste vraag aan bod: hoe kun je het energieverbruik naar beneden brengen? Schinkel: “Toen zijn we afgestapt van de pulsbreedtemodulatie, want daarmee haal je wel hoge snelheden, maar geen laag energieverbruik. Nadat we opnieuw veel simulaties hadden gedaan, lieten we een nieuwe demonstratiechip maken, dit keer gefabriceerd in 90nm CMOS. Met deze chip konden we laten zien dat het mogelijk is om het vermogensverbruik flink naar beneden te brengen als er aan de zenderkant een kleine capaciteit van een paar honderd femtofarad (10-15 farad) wordt ingebouwd.” Met deze circuits zijn snelheden te bereiken die zo’n zeven keer hoger liggen dan wat met conventionele circuits mogelijk is, bij een veel lager energieverbruik.
In het laatste jaar ging Schinkel de netwerken op een chip beter bekijken en bestudeerde hij hoe de nieuwe technieken voor industriële chips geschikt kunnen worden gemaakt. Tegelijk zette hij samen met een hoogleraar van de Universiteit Twente en nog een drietal partners een bedrijf op: Axiom IC.
“We konden meteen een chip maken voor een ruimtereis naar Mars.”
Schinkel: “We hadden naast het promotieonderzoek ook een aantal concepten voor nieuwe analoog-digitaalomzetters ontwikkeld, en het was zonde om daar alleen over te publiceren. Vanaf dag één waren we winstgevend: we konden meteen een chip maken voor een ruimtevaartmissie naar Mars. Dat was een erg leuk project. Inmiddels worden onze producten door klanten in het binnen- en buitenland gekocht. Binnen Nederland is NXP Semiconductors onze grootste klant. Ik ben er trots op, dat we helemaal met eigen middelen een gezond bedrijf hebben opgebouwd.”
Dit artikel verscheen in het STW-boekje Technologisch Toptalent 2012. Lees ook de andere artikelen: