Computing
Simulaties benutten om de chipproductie terug te brengen naar de Verenigde Staten
Hoewel microchips altijd al belangrijk zijn geweest voor de moderne wereld, was het pas na de toeleveringsketencrisis van 2022 dat overheden en industrieën hun cruciale belang voor de wereldeconomie beseften. Het tekort was zo ernstig dat bedrijven geen andere keus hadden dan hun enorme assemblagelijnen stil te leggen.
Waarom zijn microchips dus zo belangrijk voor de wereldeconomie? Simpel gezegd vormen microchips de ruggengraat van de moderne technologie‑industrie, essentieel voor alles van personal computers, smartphones, keukenapparaten, auto’s, medische apparaten, en zelfs voor de identificatie van sommige huisdieren.
Maar ondanks dit kritieke belang kunnen slechts enkele landen echt functionele microchips produceren, omdat deze onderneming de grenzen van precisie‑engineering en technologische innovatie oprekt. Tenslotte is chipproductie niet alleen kapitaalintensief, maar vereist het ook werknemers met een zeer gespecialiseerde vaardighedenset, waaronder, maar niet beperkt tot, natuurkunde, materiaalkunde en elektrotechniek.
Bovendien vereisen de faciliteiten waar deze microchips worden vervaardigd, bekend als fabs, strikte milieuomstandigheden voor het productieproces. Dit houdt in dat specifieke temperaturen en vochtigheidsniveaus moeten worden gehandhaafd en dat contaminatie zoveel mogelijk moet worden geminimaliseerd.
Zelfs als zulke perfecte omstandigheden worden bereikt, omvat het productieproces meerdere stappen, en elke stap moet met perfectie worden uitgevoerd. Elke fout kan de microchips onbruikbaar maken.
Bovendien eisen voortdurende technologische vooruitgangen kleinere, efficiëntere chips, wat extra druk op fabs legt. En tegen de tijd dat ze de productie van een bepaalde generatie microchips onder de knie hebben, kunnen deze al verouderd zijn door een gebrek aan vraag.
Dergelijke enorme barrières maken het vervaardigen van microchips op schaal een formidabele uitdaging voor de meeste landen, zelfs voor de landen met de diepste zakken.
Zelfs de Verenigde Staten, de wereldwijde technologische supermacht en leider in halfgeleiderontwerp, staan niet bovenaan als het gaat om microchipproductie; die begeerde positie behoort toe aan Taiwan. Dit is het resultaat van tientallen jaren investeringen van Taiwan in halfgeleiderproductie en de aanwezigheid van bedrijven zoals Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).
Deze complexiteit toont hoe uitdagend het is om zelfvoorzienend te worden op het gebied van microchips. Echter, volgens een recent gepubliceerd artikel op de website van het Princeton Plasma Physics Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, ontwikkelen hun wetenschappers computerprogramma’s die de simulatie van plasmaprocessen die bij microchipproductie worden gebruikt aanzienlijk zullen verbeteren.
Deze nieuwe algoritmen kunnen traditionele simulatie‑technieken overtreffen op het gebied van nauwkeurigheid en efficiëntie, waardoor het productieproces van microchips wordt versneld en daarmee helpt de chipproductie terug te brengen naar de Verenigde Staten.
Een Dubbele Aanpak
Het Princeton Plasma Physics Laboratory voerde twee onderzoeken gelijktijdig uit, en hun focusgebieden verschilden qua doelstellingen.
- Het eerste onderzoek richtte zich op het verbeteren van de nauwkeurigheid van deze simulaties.
- Het tweede onderzoeksdoel was het versnellen van de simulatie‑tijdschema’s voor plasmareactoren die worden gebruikt bij de productie van microchips.
De Noodzaak van Snelheid en Precisie in Plasmasimulaties
De complexe patronen die in siliciumwafers worden geëtst om microchips te maken, worden grotendeels geproduceerd met behulp van plasmareactoren. Het proces hangt af van het gedrag van plasma, een elektrisch geladen gas dat zorgvuldig moet worden gecontroleerd om het gewenste resultaat te bereiken.
Traditioneel is het stimuleren van het plasmaproces om resultaten te voorspellen en productiemethoden te verbeteren een arbeidsintensieve en tijdrovende taak geweest. Daar komt het eerste onderzoek van PPPL in beeld. Het streeft ernaar deze situatie te veranderen door computeralgoritmen te creëren die de benodigde tijd voor deze simulaties aanzienlijk kunnen verkorten.
En ze zijn daarin geslaagd, aangezien hun team de simulatie‑tijd van weken naar mogelijk dagen of zelfs uren heeft verkort zonder significante details op te offeren. Hoe de wetenschappers van PPPL dit hebben bereikt, is door de geschiedenis te herzien en de oude algoritmen, met name die uit de jaren 80, te verfijnen om de gewenste resultaten te behalen.
Nauwkeurigheid van Simulaties Aanpakken
In hun tweede onderzoekslijn pakte het PPPL‑team van onderzoekers het probleem van simulatie‑nauwkeurigheid aan. Gezien de complexiteit van plasmagedrag is het cruciaal dat simulaties de werkelijke reacties nauwkeurig weerspiegelen voor efficiënte microchipproductiemethoden. Echter, de noodzaak voor een aanzienlijke rekenkracht om het gedrag van talloze plasmadeeltjes nauwkeurig te simuleren, is historisch gezien behoorlijk uitdagend geweest.
Om dit probleem aan te pakken, vereenvoudigde het PPPL‑onderzoeksteam de representatie van plasmadeeltjes in simulaties. In plaats van elk deeltje afzonderlijk te proberen te modelleren, ontwikkelden ze een methode om ze te groeperen in grotere, beter hanteerbare entiteiten. Deze aanpak vermindert de rekenlast aanzienlijk, wat leidt tot snellere en toegankelijkere simulaties.
Aanvankelijk riskeerde deze vereenvoudiging echter de ware dynamiek van plasmagedrag te vervormen, wat mogelijk tot minder nauwkeurige voorspellingen zou leiden. Om dit obstakel te omzeilen, pasten de onderzoekers de parameters van de simulatie aan, waardoor de deeltjesclusters groter en minder dicht werden. Deze wijziging zorgt ervoor dat de voorspellingen van de simulatie behouden blijven, aangezien de interacties tussen deeltjes de werkelijke plasma‑interacties beter zullen nabootsen.
Deze zorgvuldige balans tussen nauwkeurigheid en vereenvoudiging biedt aanzienlijke potentie om de processen van microchipproductie te verbeteren.
Een Katalysator voor Verandering
Het onderzoek van PPPL heeft betekenis die verder reikt dan het technische domein, omdat het implicaties heeft voor de strategische dynamiek van de wereldwijde halfgeleidermarkt, met name voor de Verenigde Staten. Deze ontdekking heeft immers het potentieel om het landschap van microchipproductie in de VS te herdefiniëren door tools te bieden die de tijd en kosten van microchipproductie kunnen verlagen. Het vermogen om productieprocessen snel aan te passen en te verbeteren is cruciaal in een industrie waar marktleiderschap vaak afhangt van het tempo van innovatie.
Bovendien kan de beschikbaarheid van geavanceerde simulatie‑tools het speelveld gelijkmaken door Amerikaanse startups en kleinere bedrijven in staat te stellen effectiever te concurreren met gevestigde wereldwijde giganten. Dit kan een golf van innovatie binnen de Amerikaanse halfgeleidersector ontketenen, aangezien meer bedrijven de markt betreden en nieuwe ideeën en methodologieën voor het ontwerpen en produceren van microchips leveren.
Versterking van Nationale Veiligheid en Economische Veerkracht
Huidige wereldwijde onrust en geopolitieke spanningen hebben toeleveringsketens kwetsbaar gemaakt. Deze afhankelijkheid van andere landen voor essentiële componenten zoals microchips vormt een nationaal risico. De VS realiseerden zich de omvang van dit risico tijdens de halfgeleidercrisis van 2022, en concludeerden dat elke verstoring van de microchip‑voorziening de wereldwijde dominantie van de Amerikaanse technologie‑industrie ernstig zou kunnen aantasten.
De PPPL‑studie sluit aan bij bredere overheidsinitiatieven, zoals de CHIPS Act, die erop gericht is de Amerikaanse dominantie in de halfgeleiderindustrie te herstellen. Van kracht geworden op 9 augustus 2022 als de CHIPS and Science Act, kent het bijna $280 miljard toe aan financiering om de binnenlandse halfgeleiderproductie te versterken en de afhankelijkheid van buitenlandse bronnen te verminderen. De financiering ondersteunt onderzoek en ontwikkeling, binnenlandse productie‑incentives en maatregelen ter versterking van de toeleveringsketen.
De verschuiving naar het veiligstellen en revitaliseren van onze halfgeleidercapaciteiten gaat niet alleen over het behouden van economische veerkracht en nationale veiligheid; het is ook een cruciale stap om de weg vrij te maken voor de volgende revolutie in productie en technologie—Industry 4.0.
Het Belangrijke Fundament voor Industry 4.0 Bouwen
IBM ziet Industry 4.0 als een concept waarbij slimme productie een cruciale rol zal spelen. Met andere woorden, Industry 4.0 streeft ernaar de productiesector digitaal te transformeren, waarbij beslissingen in realtime worden genomen, waardoor de productiviteit wordt verhoogd om het uiteindelijke doel te bereiken: het productie‑ en distributieproces optimaal flexibel en wendbaar te maken.
Voor de Verenigde Staten om een leider te worden in Industry 4.0, zijn microchips meer dan noodzakelijk. Een studie van Goldman Sachs heeft al aangetoond dat tekorten aan microchips tot wel 169 sectoren kunnen beïnvloeden, waaronder med‑tech, landbouwmachines, consumentenelektronica, energie en ondernemingen. In 2021 kon bijvoorbeeld het wereldwijd gerespecteerde automerk Renault niet meer dan 500.000 auto’s produceren vanwege het gebrek aan microchips.
Deze kwetsbaarheid onderstreept de kritieke aard van het probleem, aangezien een verhoogde afhankelijkheid van Taiwan, zoals eerder vermeld, kan leiden tot een plotselinge verstoring van de toeleveringsketen, zoals gebeurde tijdens de COVID‑19‑pandemie, wat zou resulteren in een volledig instorten van het systeem.
De Toekomst van de Verenigde Staten in Microchipproductie
De Verenigde Staten hebben goed ingezien hoe cruciaal microchips voor hen kunnen zijn voor een veerkrachtige en zelfvoorzienende economische toekomst. Deze realisatie heeft het land ertoe aangezet systemen te stimuleren die resulteren in microchips van topklasse.
De George Washington University en vier andere academische onderzoekspartners hebben bijvoorbeeld samengewerkt met het National Institute for Standards and Technology van het Amerikaanse ministerie van Handel, Google en halfgeleiderfabrikant SkyWater Technology om een ‘binnenlandse, betaalbare levering van dergelijke microchips’ te ontwikkelen voor onderzoekers en startups.
Deze samenwerking heeft als doel siliciumwafers te produceren die honderden microchips kunnen huisvesten voor distributie binnen de gemeenschap. De onderzoekers krijgen toegang tot een vooraf geprepareerd chipplatform, dat ‘geschikt is voor integratie en voor het benchmarken van de prestaties van hun nieuwe apparaten ten opzichte van andere apparaten uit de gemeenschap.’
Volgens Gina Adam, assistent‑professor in de afdeling Elektrotechniek en Computer Engineering aan de School of Engineering and Applied Science van GW, zal het partnerschap het volgende bieden:
De onderzoeksinfrastructuur die nodig is om vooruitgang te boeken op het gebied van nanotechnologie en halfgeleiderapparaten, met name nu de Verenigde Staten hun strategische focus verleggen naar het terughalen van microchipproductie.
Om de binnenlandse microchipproductie te stimuleren, heeft de Amerikaanse regering aangekondigd bijna US$162 miljoen te investeren in Microchip Technology, gevestigd in Arizona. De samenwerking tussen het bedrijf, de Amerikaanse overheid en het bedrijf zal plaatsvinden in de vorm van een niet‑bindende voorlopige memorandum of terms (PMT) overeenkomst.
De Amerikaanse regering zal miljoenen dollars aan ‘federale stimulansen’ verstrekken, die in twee stroompjes worden verdeeld: US$90 miljoen zal worden besteed aan het moderniseren en uitbreiden van de fabricagefaciliteit van het bedrijf in Colorado Springs, en de resterende US$72 miljoen zal worden geïnvesteerd in de uitbreiding van de faciliteit van het bedrijf in Gresham, Oregon.
Een vergelijkbare financiering van US$35 miljoen werd eerder aangeboden aan BAE Systems Electronic Systems, een business unit van BAE Systems, Inc. Het doel was de modernisering van het Microelectronics Center van het bedrijf te ondersteunen.
Samengevat is de Verenigde Staten zichtbaar actief geworden, zowel op beleids- als op uitvoeringsniveau, om microchipproductie in het land te stimuleren. En ze hebben alle redenen om met zoveel energie en intensiteit actief te zijn. Het is niet alleen essentieel om de toeleveringslijnen van computers, smartphones en auto’s ongestoord te houden. Zoals we al hebben gezien, kan de aanwezigheid van microchips de nationale veiligheidsmechanismen en cyberbeveiligingsstructuren versterken.
De 360‑graden aanpak van de Amerikaanse autoriteiten houdt rekening met de noodzaak om productie te stimuleren, onderzoek en ontwikkeling aan te moedigen, een geschoolde beroepsbevolking te bevorderen en de activiteiten met betrekking tot internationale ICT‑beveiliging en de halfgeleider‑toeleveringsketen te versterken.
De miljarden dollars die de Amerikaanse autoriteiten bereid zijn te investeren om microchipproductie tot een bloeiend binnenlands bedrijf te maken, hebben ook wereldwijde spelers aangetrokken.
Zo heeft de grootste en meest significante speler op de kaart, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), meer dan US$12 miljard toegezegd voor de bouw van een halfgeleiderfabricagefabriek in Arizona. Intel heeft plannen om een US$20 miljard dure halfgeleiderproductiefabriek in Ohio te bouwen. Micron Technology, Inc. heeft nog ambitieuzere plannen, aangezien het voorstelt tot US$100 miljard te investeren in de komende twee decennia om een enorme halfgeleiderfabriek in upstate New York te bouwen.
Met al deze initiatieven en actieplannen is er geen reden waarom de Verenigde Staten achterop zouden raken in de race om microchipproductie. Om echter te kunnen concurreren met Oost‑Aziatische landen die bijna driekwart van de wereldwijde moderne chipproductie in bezit hebben, moet de VS een robuuste talent‑ en toeleveringsketen opbouwen. Ze moeten ook alert blijven op de vraag, zodat ze beschermd blijven tegen de risico’s van overcapaciteit en overaanbod. Bovendien moet de focus blijven liggen op het prioriteren van de productie van de juiste soorten chips.
Volgens Scott Kenedy, senior adviseur bij het Center for Strategic and International Studies:
“De VS moeten de chipproductie uitbreiden voor een specifiek type chips die direct verband houden met de Amerikaanse nationale veiligheid.”
Of de VS erin slagen om de microchipproductie te verhogen en dat dan ook op de juiste geoptimaliseerde manier, is iets waar we de vinger op moeten houden.
