Skip to the content

De wondere wereld van computerchips: van zandkorrel tot smartphone

Ooit al eens afgevraagd wat een chip is? Nee, niet je favoriete aardappelchips die bij een avondje streamen op Netflix horen, maar de computerchips die het mogelijk maken dat je je favoriete serie kan bekijken op eender welk moment, waar jij het wil. In deze blogpost wordt de adembenemende levensloop van een computerchip doorlopen: van een zandkorreltje tot de smartphone in uw zak.

Wat is een computerchip?

Een computerchip, of ook een geintegrereerde schakeling, is in wezen een klein schijfje/blokje van silicium waarop miljoenen elektronische schakelingen of transistors zitten. Hiermee worden vervolgens elektrische signalen verwerkt, waarbij het maken van een verbinding een 1 vertegenwoordigt en het verbreken van een verbinding een 0, net zoals bij een lichtschakelaar. Gebruikmakende van een opeenvolging van dergelijke schakelingen en een overeengekomen karaktercodering kan men letters, cijfers, symbolen en dergelijke meer omzetten in computertaal.

De reis die een computerchip maakt vooraleer hij jou ten dienste kan zijn, is er één waarvan je enkel steil van achterover kan slaan van verbazing. De basisgrondstof waarvan computerchips zijn gemaakt is … zand, of ook siliciumdioxide. Silicium is het op één na meest voorkomende element op de aardkorst en bestaat alleen in gebonden vorm. Er zijn ingewikkelde chemische en fysische processen nodig om silicium om te zetten in een kristalvorm die voldoet aan alle vereisten die nodig zijn voor de productie van een goed werkende chip. Zo wordt zuiver silicium in een oven opgewarmd tot het smelt, vervolgens wordt er gebruik gemaakt van een kristal om als het ware ‘een draadje’ uit de gesmolten massa te trekken. Naargelang de temperatuur, de snelheid waarmee het draadje uit het gesmolten silicium wordt getrokken en de draaisnelheid, ontstaat een kristalstaaf met de gewenste diameter en lengte. Alle parameters moeten juist zitten om ongewenste instabiliteit of defecten te voorkomen. Het groeien van een siliciumstaaf kan makkelijk enkele weken in beslag nemen en de finale staaf weegt al snel meer dan 400kg.

Van productie siliciumstaven naar wafers

Het Duitse bedrijf PVA Tepla is één van de weinige bedrijven die erin slaagt de ovens te maken om dergelijke siliciumstaven te maken. PVA Tepla verkoopt zijn ovens aan bedrijven zoals het Duitse Siltronics, het Koreaanse SK Siltron, het Taiwanese Globalwafers, en de Japanse bedrijven Sumco en Shin Etsu. En dat deze industrie volop in beweging is, toont het recente bod van Globalwafers op Siltronic. Gezien de enorme investeringen die dergelijke bedrijven moeten maken, is de consolidatieslag een logisch gevolg. Niet enkel zorgt het voor de nodige schaalvoordelen, maar zorgt het ook voor een meer voorspelbare prijszetting.

De siliciumstaven die deze bedrijven maken met de ovens van PVA Tepla, worden vervolgens versneden, of beter verzaagd, om dunne ronde schijfjes te verkrijgen. Dit zijn de zogenaamde wafers, die later zullen dienen als substraat, zeg maar het deeg, voor een computerchip. Nu, het maken van de siliciumstaaf is reeds een huzarenstukje, maar het versnijden ervan is minstens even uitdagend. Dit wordt gedaan in zogenaamde ‘propere ruimtes’, en dit mag je echt letterlijk nemen. De hoeveelheid stof die in dergelijke propere ruimtes aanwezig mag zijn, moet tot het uiterste minimum beperkt worden. De toegelaten stofverhouding is te vergelijken met één balletjes stof ter grootte van een golfbal en dit voor de totale oppervlakte van de provincies Antwerpen en Limburg samen. Het verzagen van de siliciumstaven gebeurt met industriële diamantzagen. De finale wafers worden vervolgens verder behandeld en gepolijst. 

Wafers zijn beschikbaar in verschillende diameters, beginnende van 25mm tot 300mm. Hoe groter de wafer, des te meer ze wegen en hoe robuuster het materiaal dat nodig is om de wafers te behandelen. Maar ook hoe groter de wafer, hoe meer computerchips je uit één wafer kan halen. Want zoals gezegd vormt de wafer weldegelijk de bodem van een computerchip. Door toepassingen van verschillende procedés worden als het ware op de wafer microschakelingen opgebouwd, door eerst een film aan te brengen en vervolgens overtollige film te verwijderen. We gaan hier nu wel heel snel over, maar eigenlijk is deze stap wel de moeilijkste van heel het productieproces. Hoe kleiner de computerchips, hoe kleiner de finale eindproducten kunnen zijn en hoe meer rekenkracht in dergelijke eindproducten kunnen. Bekende producenten van halfgeleiderapparatuur zijn Applied Materials, Tokyo Electron, Lam Research en KLA-Tencore. Het Eindhovense ASML levert de apparatuur, zeg maar de printer, die door het materiaal selectief te belichten een patroon in het filmmateriaal weet aan te brengen. Dit proces wordt meerdere keren herhaald. Op die manier ontstaat een doolhof van transistoren die resulteert in een elektrische schakeling, waarbij de transistoren als toegangspoortjes fungeren voor stroom. Dit binaire systeem van stroom of geen stroom, of ook nul of één, is zoals eerder aangegeven de basis van elektronische gegevensverwerking.

Ontwerpen en uittekenen specifieke chips

Naargelang het finale einddoel van een computerchip, zal je verschillende bedrijven vinden die ieder gespecialiseerd zijn in het ontwerpen en uittekenen van specifieke chips, rekening houdende met de eigenschappen van het finale eindproduct. Zo kan je chips vinden voor smartphones, datacenters, computers, gamingconsoles, televisietoestellen, en meer en meer ook voor auto’s en industriële toepassingen. Eigenlijk elk elektrisch apparaat dat meer dan 50 euro kost zal hoogstwaarschijnlijk een computerchip bevatten. En net zoals je een architect hebt die een voorkeur heeft voor het uittekenen van een plan voor een appartementsgebouw of een woning, zo heb je ook bedrijven die zich specialiseren in het uittekenen van product specifieke computerchips, bedrijven zoals Qualcomm en Mediatek voor alles wat te maken heeft met draadloze technologie, of zoals Nvidia, AMD en Intel voor alles wat te maken heeft met grafische kaarten van meer geavanceerde computers, of ook zoals NXP, Infineon en ST MicroElectronics voor het automobiel segment.

Sommige van die spelers kiezen ervoor om alles zelf te doen, zowel ontwerpen als produceren. Echter doorheen de jaren hebben heel veel van die gespecialiseerde chipproducent-bedrijven er toch voor gekozen om enkel het ontwerp van die chips voor hun rekening te nemen, en de finale productie uit te besteden aan Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM) of aan Samsung Electronics. Zeker naarmate de dimensie van de chips kleiner en kleiner worden, en het productieproces moeilijker en moeilijker wordt. Gezien de enorme bedragen die geïnvesteerd moeten worden om dergelijke productiecapaciteit uit te bouwen, heeft het realiseren van schaalvoordelen een aanzienlijke impact op het verlagen van de kosten. Oorspronkelijk was een bedrijf als TSM, enkel een extra-buffer voor bedrijven die zelf tijdelijk niet voldoende productiecapaciteit hadden. Echter doorheen de jaren heeft het bedrijf zoveel productie naar zich weten toe te trekken, dat ze enorm hard zijn gegroeid. Dit heeft er vervolgens voor gezorgd dat ze meer dan wie dan ook in de industrie kunnen investeren in onderzoek en ontwikkeling voor verdere miniaturisatie. Dit heeft hen dan ook geen windeieren gelegd, waardoor ze nu met vlag en wimpel een voorsprong hebben uitgebouwd in termen van innovatie. Enkel Samsung Electronics kan hen op dit ogenblik nog bijhouden, maar aangezien het Koreaanse bedrijf ook consumentenproducten verkoopt, verkiezen spelers zoals Apple resoluut voor TSM.

Zoals je kan vaststellen is de hele computerchipketen een aanéénschakeling van bedrijven die ieder een onderdeel van de keten voor hun rekening nemen. Sommige bedrijven zijn zelf actief in het productieproces, andere leveren dan weer apparatuur die nodig is bij het productieproces. Hierdoor loont het om als belegger je huiswerk goed te maken, aangezien een conjunctuurbeweging zich als een slingerbeweging doorheen de verschillende bedrijven beweegt. Op die manier is het mogelijk om als belegger doorheen de tijd te surfen op dezelfde golf door tijdig en opeenvolgend te beleggen in de verschillende bedrijven doorheen de keten.

Wat uiteraard ook sterk meespeelt is de vraag naar de finale eindproducten. Nu daar speelt onze sterke overtuiging dat we nog maar aan het begin staan van een technologisch (r)evolutie die zich nog jaren zal manifesteren. De zoektocht naar steeds krachtigere en kleinere computerchips gaat ongetwijfeld noch enkele decennia door. Het zal u daarom niet verrassen dat we ook aan de start van 2021 een uitgesproken voorkeur hebben voor chipbedrijven en producenten van apparatuur voor chipbedrijven.

In een volgende blog, plannen we vooruit te kijken naar een andere opportuniteit die zich in de komende jaren ongetwijfeld zal aanbieden, namelijk het speelveld van fotonica. In tegenstelling tot elektronische schakelingen, maakt fotonica geen gebruik van elektrisch stroom of elektronen om data te verzenden, maar wel van licht meer bepaald van fotonen. Licht bestaat namelijk uit een stroom van deeltjes, fotonen, en het beweegt zich voort zoals de golven op de zee of geluid in de lucht. Cruciaal hierbij is dat fotonen zich sneller voortbewegen dan elektronen. In een wereld waar de creatie van data exponentieel toeneemt, en de hoeveelheid dataconnecties uitgedrukt in kilometers wereldwijd een ongeziene explosie kent, hoeft het niet veel betoog dat datasnelheid de volgende frontlinie van innovatie met zich meebrengt.

SIddy Jobe

SIddy Jobe

Siddy Jobe behaalde het diploma van Master in Toegepaste Economische Wetenschappen aan de Universiteit van Antwerpen en van Master in Financieel Management aan de Vlerick Business School. Gepassioneerd door innovatie en ondernemerschap, nam hij ook deel aan een Executive Master in Venture Capital aan de Berkeley Haas School of Business. Voordat hij bij Econopolis kwam, leidde hij het Investor Relations & Treasury-departement van Orange Belgium, een beursgenoteerd telecombedrijf, gedurende 6 jaar. Siddy bekleedde ook de positie van Telecom, Media & Technology-analist bij Bank Degroof tussen 2005 en 2012. Verder is hij ook actief in de adviesraad van StartupVillage en The Beacon, een business- en innovatieknooppunt in Antwerpen dat zich richt op Internet of Things en Artificial Intelligence op het gebied van industrie, logistiek en slimme stad.