Chipprototyping: hoe een chipontwerp voor het eerst tot leven komt

Bijgewerkt: 12 augustus 2026 · 6 min leestijd

Voordat een nieuwe chip in miljoenen smartphones, auto's of laptops belandt, moet iemand hem eerst één keer echt laten maken. Dat proces heet chipprototyping: het bouwen van een eerste, kleine oplage van een chipontwerp om te testen of het werkt zoals bedacht. Vergelijk het met een architect die eerst een schaalmodel van een gebouw laat maken voordat de bouwvakkers beginnen — alleen kost een chip-'schaalmodel' al snel tienduizenden tot miljoenen euro's, en duurt het maken ervan maanden.

Waarom is dat zo duur en langzaam? Een chip wordt niet geprint zoals een foto, maar laagje voor laagje opgebouwd in een fabriek (een 'fab' of foundry) met apparatuur die met licht en chemicaliën patronen van transistors aanbrengt op een schijfje silicium, een wafer. Elke aanpassing aan het ontwerp betekent in principe een nieuwe reeks dure productiestappen. Prototyping is de fase waarin ontwerpers dat risico proberen te beperken: liever nu een fout ontdekken op een testchip dan achteraf, wanneer de fabriek al miljoenen exemplaren heeft gemaakt.

Wat is het precies?

Chipprototyping verloopt meestal in een paar stappen. Eerst ontwerpen ingenieurs de chip virtueel, met software die de elektronische schakelingen beschrijft in een hardwarebeschrijvingstaal zoals Verilog of VHDL. Dat is vergelijkbaar met programmeren, maar het resultaat beschrijft geen software die op een chip draait, maar de fysieke bedrading van de chip zelf.

Voordat dat ontwerp echt geproduceerd wordt, testen ontwikkelaars het vaak op een FPGA (field-programmable gate array). Dat is een soort chip die zichzelf op basis van software kan 'herconfigureren' tot vrijwel elke gewenste schakeling. Een FPGA is trager en minder energiezuinig dan een op maat gemaakte chip, maar je kunt er in uren of dagen mee testen of een ontwerp logisch klopt, zonder een fabriek in te schakelen. Grote spelers als AMD (via de overname van Xilinx) en Intel (via Altera) leveren dit soort FPGA's en bijbehorende prototypingsystemen aan chipontwerpers.

Werkt het ontwerp op de FPGA naar wens, dan volgt de stap naar echt silicium. Omdat een volledige productielijn opstarten voor één ontwerp onbetaalbaar is, delen meerdere ontwerpteams vaak dezelfde wafer: dit heet een multi-project wafer (MPW) of 'shuttle run'. Tientallen verschillende, kleine chipontwerpen van verschillende klanten worden dan letterlijk naast elkaar op één wafer geplaatst en tegelijk geproduceerd, waarna de wafer wordt doorgesneden en iedereen zijn eigen stukje krijgt. Zo betaalt niemand voor een hele wafer, maar slechts voor de ruimte die zijn ontwerp inneemt.

Na productie volgt de laatste stap: de teruggekomen chips worden getest, ingepakt (verpakt in een behuizing met aansluitpennen) en op een testplatform aangesloten om te controleren of ze doen wat de simulaties voorspelden. Pas als dat allemaal klopt, is een ontwerp 'rijp' voor massaproductie.

Wat wil men ermee bereiken?

Het belangrijkste doel is risicobeperking. Een chipontwerp met een fout die pas na massaproductie wordt ontdekt, kan een bedrijf miljoenen tot honderden miljoenen euro's kosten. Prototyping maakt fouten zichtbaar wanneer ze nog relatief goedkoop te herstellen zijn.

Daarnaast gaat het om snelheid. Innovatie in chiptechnologie — denk aan AI-versnellers, energiezuinige sensoren voor het 'internet der dingen' of nieuwe soorten geheugenchips — vraagt om snel kunnen experimenteren. Hoe sneller een idee getest kan worden, hoe sneller het bijgesteld of verworpen kan worden.

Een derde, groeiend doel is toegankelijkheid. Chipontwerp stond decennialang alleen open voor grote bedrijven met eigen fabrieken of dikke contracten met foundries. Sinds enkele jaren proberen initiatieven met open-source ontwerpgereedschap en gedeelde productieruns (zie hieronder) ook universiteiten, kleine start-ups en zelfs individuele hobbyisten toegang te geven tot echte chipproductie. Dat past in een breder streven om kennis over chipontwerp — nu geconcentreerd bij een handvol landen en bedrijven — breder te verspreiden, mede ingegeven door geopolitieke zorgen over afhankelijkheid van een klein aantal chipfabrieken, met name in Taiwan.

Voorbeelden uit de praktijk

Een aantal concrete initiatieven laat zien hoe chipprototyping in de praktijk werkt:

Europractice, gecoördineerd door onder meer het Belgische onderzoeksinstituut imec, is al sinds de jaren negentig een broker die Europese universiteiten en onderzoeksinstellingen toegang geeft tot multi-project-waferruns bij grote foundries. Een onderzoeksgroep kan zo voor een fractie van de kosten van een eigen productierun een klein stukje wafer 'huren'.
MOSIS, opgezet in de Verenigde Staten, vervult een vergelijkbare rol voor Amerikaanse universiteiten en onderzoeksinstellingen en bestaat al sinds de late jaren zeventig — daarmee een van de langstlopende MPW-diensten ter wereld.
Het bedrijf Efabless werkte samen met Google en fabriek SkyWater Technology aan een programma waarbij ontwerpers met volledig open-source gereedschap (de zogeheten OpenLane-ontwerpflow) gratis of tegen lage kosten een eigen chipontwerp konden laten meeproduceren op een gedeelde wafer in een 130-nanometerproces. Dit verlaagde de drempel voor chipontwerp drastisch, al is de precieze status en beschikbaarheid van dit soort programma's in de loop der jaren gewijzigd — geïnteresseerden doen er goed aan de actuele voorwaarden bij de aanbieders zelf na te gaan.
Tiny Tapeout, opgezet door chipontwerper Matt Venn, is een educatief project waarbij studenten en hobbyisten een heel klein stukje ontwerpruimte op een gedeelde chip kunnen kopen — soms voor een paar tientallen euro's — om voor het eerst zelf een werkend, zij het eenvoudig, chipontwerp naar silicium te zien gaan. Het project draait op de logica van de multi-project wafer, maar dan toegankelijk gemaakt voor een breed, niet-professioneel publiek.
IHP Microelectronics in Duitsland biedt met zijn open-source procesbeschrijving (PDK, process design kit) voor een SiGe-BiCMOS-technologie een Europees alternatief voor ontwerpers die willen experimenteren met chips die ook hoogfrequente, radiogerelateerde schakelingen bevatten, iets waar veel andere open-source processen minder geschikt voor zijn.

Hoe ver is de techniek?

De basistechnieken van chipprototyping — FPGA-emulatie en multi-project wafers — zijn volwassen en worden al decennia gebruikt door de industrie. Wat de afgelopen jaren wél sterk in ontwikkeling is, is de toegankelijkheid: open-source ontwerpgereedschap zoals OpenLane en OpenROAD heeft het mogelijk gemaakt om zonder de dure commerciële licenties van gevestigde partijen als Cadence en Synopsys een chipontwerp van begin tot eind te maken, al blijven die commerciële pakketten voor complexere, geavanceerde chips vooralsnog de norm in de industrie.

Een belangrijk obstakel blijft de processtap: de meeste laagdrempelige, open-source prototypingprogramma's draaien op relatief oude procesknopen, zoals 130 nanometer. Dat is prima voor eenvoudige digitale schakelingen, sensoren of educatieve projecten, maar mijlenver verwijderd van de 3- en 2-nanometerprocessen waarmee de nieuwste smartphone- en AI-chips worden gemaakt. Toegang tot prototyping op die geavanceerdste knopen blijft beperkt tot een select aantal grote bedrijven, simpelweg omdat de fabrieken die dat kunnen — met name TSMC, Samsung en Intel — enorm kostbaar zijn om te bouwen en te onderhouden.

Ook de doorlooptijd blijft een knelpunt: een multi-project-waferrun wachten kost vaak alsnog maanden, omdat wafers pas geproduceerd worden zodra er genoeg deelnemers zijn om de kosten te delen. Onderzoek naar snellere, goedkopere prototypingtechnieken — bijvoorbeeld via verbeterde simulatie- en emulatiesoftware, of via modulaire 'chiplet'-ontwerpen die kleinere, herbruikbare bouwblokken combineren via standaarden als UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) — loopt nog volop door en heeft nog geen definitieve doorbraak opgeleverd die de doorlooptijd drastisch verkort.

Wie werken eraan?

Op het gebied van geavanceerde chipproductie domineren enkele grote foundries: het Taiwanese TSMC, het Zuid-Koreaanse Samsung en het Amerikaanse Intel, dat zich met Intel Foundry ook nadrukkelijker als dienstverlener voor externe ontwerpers positioneert. Voor minder geavanceerde, maar bredere toepassingen spelen ook GlobalFoundries en verschillende Chinese foundries een rol.

Op het gebied van onderzoek en toegankelijke prototyping zijn vooral Europese en Amerikaanse instituten actief: imec in België, dat naast eigen geavanceerd chiponderzoek ook Europractice coördineert; CEA-Leti in Frankrijk; en IHP in Duitsland met zijn open-source procesbeschrijving. In de Verenigde Staten faciliteert MOSIS al decennialang universitaire toegang tot productieruns.

Op het gebied van open-source ontwerpgereedschap en laagdrempelige toegang hebben Google, chipfabrikant SkyWater Technology en het bedrijf Efabless een belangrijke rol gespeeld bij het openbreken van chipontwerp voor een breder publiek, met projecten als Tiny Tapeout van Matt Venn als zichtbaar resultaat daarvan. Ook de RISC-V-beweging — een open, royaltyvrije processorarchitectuur beheerd door de non-profitorganisatie RISC-V International — heeft prototyping gestimuleerd doordat onderzoeksgroepen wereldwijd, van Europese universiteiten tot Chinese chipontwerpers, er relatief eenvoudig eigen testprocessors mee kunnen ontwerpen en laten produceren.