Procesknooppunt: hoe chipfabrikanten transistors steeds kleiner maken
Een procesknooppunt (in het Engels: process node) is de naam voor een generatie van fabricagetechniek waarmee computerchips worden gemaakt. Denk aan een drukkerij die steeds fijnere pennen krijgt: met een dikke stift kun je alleen grote letters drukken, met een fijne pen past er veel meer tekst op dezelfde pagina. Bij chips werkt het net zo. Een nieuw procesknooppunt betekent dat fabrikanten kleinere en efficiëntere transistors — de schakelaartjes die samen een chip laten rekenen — op hetzelfde stukje silicium kunnen persen.
Namen als "5nm", "3nm" of "2nm" die je in nieuwsberichten over nieuwe processoren tegenkomt, verwijzen naar zo'n procesknooppunt. Vroeger gaf dat getal letterlijk de kleinste structuur in de transistor aan, gemeten in nanometer (een miljardste meter). Tegenwoordig is het vooral een merknaam geworden: de getallen van verschillende fabrikanten zijn onderling niet meer één-op-één vergelijkbaar. Toch blijft de kern hetzelfde: elke nieuwe generatie moet meer rekenkracht en energiezuinigheid leveren dan de vorige.
Wat is het precies?
Een chip ontstaat door een dunne plak silicium, een wafer, in tientallen tot honderden stappen te bewerken. Met licht wordt een patroon geprojecteerd op een laagje lichtgevoelig materiaal, waarna dat patroon met chemicaliën wordt "geëtst" in het silicium eronder. Dit proces heet lithografie en het is de kern van elk procesknooppunt.
Hoe kleiner de structuren die je wilt maken, hoe korter de golflengte van het gebruikte licht moet zijn. De nieuwste generatie fabrieken gebruikt EUV-lithografie (extreem ultraviolet licht), een technologie die decennia in ontwikkeling was voordat ze commercieel bruikbaar werd. Het enige bedrijf ter wereld dat deze machines maakt, is het Nederlandse ASML uit Veldhoven.
Naast lithografie verandert ook de bouw van de transistor zelf. Jarenlang gebruikte de industrie zogeheten FinFET-transistors, met een verticale "vin" waar de stroom doorheen loopt. Bij de nieuwste knooppunten stappen fabrikanten over op gate-all-around (GAA)-transistors, waarbij het schakelende deel volledig is omsloten door de stuurelektrode. Dat geeft betere controle over de stroom en minder lekstroom bij extreem kleine afmetingen.
Een procesknooppunt is dus niet één uitvinding, maar een samenhangend pakket van machines, materialen, ontwerpregels en productiestappen dat een fabriek jarenlang finetunet voordat het rendabel massaproductie oplevert.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter steeds nieuwe procesknooppunten is de wens om meer te doen met minder. Meer transistors op een chip betekent meer rekenkracht: voor kunstmatige intelligentie, telefoons, auto's en datacenters. Kleinere transistors schakelen bovendien vaak sneller en verbruiken minder stroom per bewerking, wat cruciaal is nu datacenters en AI-modellen enorme hoeveelheden elektriciteit vragen.
Deze drang naar verkleining wordt vaak in verband gebracht met de "wet van Moore", de waarneming uit 1965 van Intel-medeoprichter Gordon Moore dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Die vuistregel is inmiddels sterk vertraagd en soms wordt zelfs beweerd dat ze dood is, maar het onderliggende doel — meer rekenkracht per euro en per watt — blijft de industrie drijven, ook al gebeurt dat nu deels via andere trucs dan pure verkleining, zoals het stapelen van chips.
Daarnaast is een geavanceerd procesknooppunt tegenwoordig ook een geopolitiek machtsmiddel geworden. Landen zien de mogelijkheid om de modernste chips te maken als een strategisch belang, vergelijkbaar met energie of voedselzekerheid, omdat deze chips onmisbaar zijn voor AI, defensie en telecommunicatie.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Taiwanese TSMC, de grootste chipfabrikant ter wereld die chips maakt in opdracht van klanten zoals Apple en Nvidia, bracht in 2022 zijn "N3"-knooppunt (3 nanometer) naar massaproductie en werkt sindsdien aan de opvolger "N2", die voor het eerst GAA-transistors gebruikt en rond 2025 in productie ging voor klanten als Apple.
Samsung koos al eerder voor GAA-transistors, met zijn "SF3"-knooppunt dat eveneens rond 2022-2023 startte, in een poging TSMC technologisch voor te blijven. Het bedrijf worstelde echter met een lage yield (het percentage bruikbare chips per wafer), wat illustreert hoe moeilijk het is om nieuwe technologie winstgevend te maken.
Intel probeert na jaren van vertraging weer aansluiting te vinden met zijn knooppunten "Intel 4", "Intel 3" en vooral "18A", dat GAA-transistors combineert met een nieuwe manier om chips van stroom te voorzien via de achterkant van de wafer (backside power delivery). Intel gebruikte dit knooppunt voor eigen processors en probeert er ook externe klanten mee te trekken naar zijn fabrieken.
Het Belgische onderzoeksinstituut imec in Leuven speelt een aparte rol: het ontwikkelt samen met fabrikanten en toeleveranciers als ASML de technologie voor knooppunten die pas over vijf tot tien jaar in massaproductie komen, zoals opvolgers van GAA-transistors en nieuwe manieren om transistorlagen te stapelen.
Ten slotte investeert ASML zelf voortdurend in de volgende generatie belichtingsmachines: de zogeheten High-NA EUV-systemen, die vanaf het midden van de jaren 2020 bij onder meer Intel en imec worden geïnstalleerd om nog fijnere structuren te kunnen maken.
Hoe ver is de techniek?
De modernste procesknooppunten zijn commercieel beschikbaar en worden al gebruikt in telefoons, laptops en AI-chips, maar de vooruitgang gaat merkbaar langzamer en duurder dan twintig jaar geleden. Waar vroeger elke nieuwe generatie een duidelijke sprong in snelheid en kosten per transistor gaf, leveren de nieuwste knooppunten vaak wel meer transistors, maar tegen navenant hogere kosten per stuk.
Een belangrijk obstakel is de natuurkunde zelf: bij afmetingen van een paar nanometer beginnen kwantumeffecten zoals elektronen die door een barrière "tunnelen" in plaats van eromheen te gaan, waardoor transistors lastiger volledig uit te schakelen zijn. Ook warmteafvoer wordt lastiger naarmate componenten dichter op elkaar staan.
Daarnaast is de financiële drempel enorm. Een moderne chipfabriek kost inmiddels tussen de tien en twintig miljard euro, en de ontwikkeling van een nieuw knooppunt kost fabrikanten vaak miljarden euro's aan onderzoek voordat er één verkoopbare chip van de band rolt. Daardoor kunnen wereldwijd nog maar een handvol bedrijven aan de absolute top meedoen.
Onzeker is hoe lang de industrie op deze manier kan doorgaan met verkleinen. Veel experts verwachten dat na de huidige generatie GAA-transistors verdere winst vooral moet komen uit andere richtingen, zoals het drie-dimensionaal stapelen van chiplagen op elkaar, in plaats van uit nog kleinere afzonderlijke transistors.
Wie werken eraan?
De markt voor de meest geavanceerde procesknooppunten wordt gedomineerd door een klein aantal spelers: het Taiwanese TSMC, het Zuid-Koreaanse Samsung en het Amerikaanse Intel. Zij zijn de enige bedrijven die op dit moment chips kunnen maken op de allerkleinste, meest geavanceerde knooppunten.
Onmisbaar voor hen allemaal is het Nederlandse ASML, dat als enige ter wereld de EUV-belichtingsmachines levert die voor deze knooppunten nodig zijn. Andere belangrijke toeleveranciers zijn het Amerikaanse Applied Materials en het Japanse Tokyo Electron, die apparatuur maken voor stappen als etsen en materiaaldepositie.
Op onderzoeksgebied speelt het Belgische imec een centrale rol als neutraal platform waar fabrikanten, toeleveranciers en universiteiten samen aan toekomstige knooppunten werken. Ook onderzoeksinstellingen zoals het Amerikaanse IBM Research dragen bij aan fundamentele doorbraken in transistorontwerp.
Ten slotte is dit veld sterk verweven met landenbeleid. Taiwan, Zuid-Korea, de Verenigde Staten en de Europese Unie (met Nederland en België in een sleutelrol) investeren met wetten zoals de Amerikaanse CHIPS Act en de Europese Chips Act miljarden euro's om chipproductie op eigen bodem te stimuleren, mede omdat de Verenigde Staten de export van de meest geavanceerde chiptechnologie naar China aan banden hebben gelegd.