Chipset: het onmisbare verkeersknooppunt in je computer of smartphone
Als je ooit een computer hebt gekocht, ben je de term waarschijnlijk tegengekomen zonder precies te weten wat hij betekent. Een chipset is de verzameling ondersteunende chips die ervoor zorgt dat de verschillende onderdelen van een computer of smartphone met elkaar kunnen communiceren. Denk aan een moederbord als een verkeersknooppunt: de processor (CPU) is de belangrijkste bestuurder, maar de chipset is het geheel van verkeerslichten, borden en rotondes dat regelt hoe data tussen processor, geheugen, opslag, USB-poorten en netwerkverbindingen stroomt.
Bij pc's en laptops is dit meestal nog een apart onderdeel naast de processor. Bij smartphones is de term inmiddels verschoven: daar wordt "chipset" vaak gebruikt voor een compleet System-on-Chip (SoC, een chip waarop meerdere functies samen zijn geïntegreerd), zoals een Qualcomm Snapdragon of een Apple-chip uit de M-serie. Zo'n chip bevat dan niet alleen chipset-functies, maar ook de processor, de beeldprocessor (GPU) en soms zelfs de modem voor mobiel internet. Die twee betekenissen lopen in het dagelijks taalgebruik door elkaar, en dat verklaart waarom je "chipset" in zulke uiteenlopende contexten tegenkomt.
Wat is het precies?
In de klassieke pc-architectuur bestond een chipset vroeger uit twee chips: de "northbridge", die de snelle verbindingen tussen processor, werkgeheugen (RAM) en grafische kaart regelde, en de "southbridge", die de langzamere randapparatuur aanstuurde zoals USB-poorten, opslag en netwerkkaarten. Sinds pakweg 2010 hebben fabrikanten als Intel veel van de northbridge-functies in de processor zelf ingebouwd. Wat overblijft is doorgaans één chip, bij Intel bijvoorbeeld de "Platform Controller Hub" (PCH), die vooral de verbindingen naar opslag, USB en uitbreidingssleuven regelt.
Een chipset communiceert met de processor via een speciale, snelle verbinding en fungeert vervolgens als verdeelstation naar alle andere onderdelen. Het bepaalt bijvoorbeeld hoeveel USB-poorten een moederbord kan hebben, welk type en hoeveel opslag (zoals SSD's) je kunt aansluiten, en welke uitbreidingsmogelijkheden er zijn. Verschillende chipsets binnen dezelfde processorgeneratie bieden vaak andere mogelijkheden: een chipset gericht op zakelijke pc's heeft bijvoorbeeld andere beveiligingsfuncties dan een chipset voor gamingsystemen.
Bij mobiele chips ligt dat anders. Daar worden vrijwel alle functies, van rekenkracht tot beeldverwerking en verbinding met mobiele netwerken, op één stuk silicium samengeperst. Dat heet een System-on-Chip. De term "chipset" wordt in de marketing van smartphonefabrikanten vaak gebruikt om zo'n complete SoC aan te duiden, ook al is dat technisch gezien niet hetzelfde als de klassieke chipset op een moederbord.
Het ontwerp van deze chips begint met een basisarchitectuur: de instructieset die bepaalt hoe de chip rekenopdrachten uitvoert. Voor mobiele apparaten is dat vrijwel altijd de ARM-architectuur, waarvoor bedrijven een licentie nemen bij het Britse ARM Holdings. Voor traditionele pc's en laptops domineert nog steeds de x86-architectuur van Intel en AMD, al zijn er met de komst van Windows-laptops met ARM-chips (zoals de Snapdragon X-serie) inmiddels ook kruisbestuivingen ontstaan.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van chipsetontwikkeling is drieledig: meer rekenkracht, minder energieverbruik en lagere kosten, het liefst allemaal tegelijk. Fabrikanten proberen steeds meer functionaliteit op een steeds kleiner oppervlak te persen, zodat apparaten sneller, zuiniger en compacter worden.
Voor smartphonefabrikanten is een efficiënte chipset essentieel voor een goede batterijduur en om zonder ventilator warmte kwijt te kunnen. Voor pc-chipsets draait het meer om connectiviteit: hoeveel en hoe snel kunnen randapparaten worden aangesloten, en hoe goed werkt de beveiliging tegen fysieke manipulatie van hardware. Bij datacenter- en AI-chips, zoals die van NVIDIA, ligt de nadruk weer op het razendsnel verplaatsen van enorme hoeveelheden data tussen rekenkernen en geheugen, omdat dat vaak de bottleneck (het knelpunt) is bij het trainen van AI-modellen.
Een minder zichtbaar maar groeiend doel is soevereiniteit: landen en regio's willen minder afhankelijk worden van een handvol buitenlandse chipfabrikanten, omdat chips inmiddels net zo strategisch belangrijk worden geacht als olie of halfgeleiders letterlijk zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
De Intel Z790-chipset (2022) is een bekend voorbeeld uit de pc-wereld: hij ondersteunt Intels 13e en 14e generatie Core-processoren op het LGA1700-moederbordsocket en biedt onder meer snelle USB- en opslagverbindingen voor gamingsystemen.
De Qualcomm Snapdragon 8-serie, met de Snapdragon 8 Gen 3 (eind 2023) als recent voorbeeld, wordt in vrijwel alle Android-topmodellen gebruikt, van Samsung tot OnePlus, en combineert processor, grafische chip en 5G-modem in één SoC.
Apple's M-serie, gestart met de M1 in 2020 en inmiddels doorontwikkeld tot de M3- en M4-generatie, wordt gebruikt in MacBooks en iPads. Deze chips worden in de volksmond vaak "chipset" genoemd, hoewel het technisch om een volledige SoC gaat die Apple zelf ontwerpt maar laat produceren door TSMC.
MediaTek, lange tijd vooral bekend van budgettelefoons, heeft met de Dimensity 9300 (najaar 2023) laten zien dat het inmiddels ook kan concurreren in het topsegment van Android-chips.
In de wereld van AI-datacenters introduceerde NVIDIA in 2024 de GB200 Grace Blackwell, een combinatiechip die een ARM-gebaseerde processor en twee grafische chips samenbrengt, specifiek ontworpen om grote taalmodellen efficiënter te trainen en te draaien.
Hoe ver is de techniek?
Chipontwikkeling gaat razendsnel, maar de vooruitgang wordt steeds duurder en moeilijker te realiseren. De belangrijkste maatstaf is de zogeheten procesnode, uitgedrukt in nanometers (nm, een miljardste meter), die aangeeft hoe klein de bouwstenen op een chip zijn. Kleinere nodes betekenen doorgaans meer transistors op dezelfde oppervlakte en dus meer rekenkracht per watt.
Begin en medio jaren 2020 draait de industrie op 3-nanometerprocessen voor de meest geavanceerde chips, en marktleider TSMC uit Taiwan werkt aan de opvolger, de 2-nanometernode (aangeduid als N2), die naar verwachting eind 2025 in massaproductie gaat. Deze getallen zijn overigens deels marketingtermen geworden en komen niet meer letterlijk overeen met fysieke afmetingen zoals vroeger het geval was.
Een belangrijk obstakel is dat de wet van Moore, de vuistregel dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt, steeds moeilijker houdbaar blijkt. De kosten voor het ontwerpen en produceren van chips op de nieuwste nodes lopen sterk op, waardoor alleen een handvol bedrijven het zich kan veroorloven om aan de absolute top mee te doen. Daarnaast spelen geopolitieke spanningen een grote rol: de Verenigde Staten hebben exportbeperkingen ingesteld tegen de verkoop van geavanceerde chipproductie-apparatuur en AI-chips aan China, en de sterke concentratie van geavanceerde chipproductie in Taiwan wordt algemeen gezien als een geopolitiek risico.
Warmteontwikkeling en energieverbruik vormen een ander groeiend probleem, vooral bij AI-chips die dag en nacht op vol vermogen draaien in datacenters. Dit drijft niet alleen chipontwerp, maar ook de vraag naar elektriciteit en koeling in de datacentersector.
Wie werken eraan?
Aan de ontwerpkant domineren een beperkt aantal bedrijven: Intel en AMD voor x86-processoren en pc-chipsets, Qualcomm en MediaTek voor mobiele SoC's, Apple voor zijn eigen M- en A-serie chips, en NVIDIA voor grafische en AI-chips. Deze bedrijven zijn goeddeels "fabless": ze ontwerpen de chips, maar laten de daadwerkelijke productie over aan gespecialiseerde fabrieken, foundries genaamd.
De productie zelf wordt gedomineerd door TSMC uit Taiwan, veruit de grootste chipfabrikant ter wereld, gevolgd door Samsung Foundry uit Zuid-Korea. Intel probeert met zijn eigen fabrieken (Intel Foundry) ook diensten aan andere bedrijven aan te bieden, mede gesteund door Amerikaanse overheidssubsidies uit de CHIPS Act.
Op het gebied van chipontwerp-architectuur speelt het Britse ARM Holdings een sleutelrol, omdat vrijwel alle mobiele chipfabrikanten een licentie nemen op zijn instructieset. Verder investeren overheden wereldwijd fors in eigen chipcapaciteit: de Verenigde Staten via de CHIPS and Science Act, de Europese Unie via de European Chips Act, en landen als Japan en Zuid-Korea met eigen subsidieprogramma's, allemaal met als doel minder afhankelijk te worden van een geconcentreerde toeleveringsketen.