Chip viert vijftigste verjaardag

Na de uitvinding van het telraam, de analoge computer en de vacuümbuis, was het een halve eeuw geleden tijd voor de volgende stap op weg naar het informatie-tijdperk. Op 12 september 1958 werd 's werelds eerste geïntegreerde circuit gedemonstreerd. Samen met de geboorte van de transistor, zo'n zestig jaar geleden, stond de doorbraak aan de wieg van de moderne processor en alle moderne elektronica waar we vandaag de dag van genieten en waaraan we ons soms flink ergeren.

Op 12 september 1958 werd het eerste 'integrated circuit' door zijn uitvinder Jack Kilby van Texas Instruments gedemonstreerd. Het idee achter het geïntegreerde circuit is eigenlijk vrij eenvoudig: in plaats van losse componenten, zoals weerstanden, condensators en natuurlijk transistors op een printplaat te plaatsen, worden alle onderdelen op een substraat van halfgeleidermateriaal geplaatst. Hoewel de uitvinding aan Jack Kilby wordt toegeschreven, die er in 2000 ook een Nobelprijs voor kreeg, was de Texas Instruments-medewerker niet de eerste en evenmin de enige die op het idee kwam om componenten te integreren. Zelf had Kilby ongeveer een jaar eerder het plan opgevat om met behulp van keramische wafels een raamwerk voor elektronische componenten te construeren. Het idee werd opgepikt door het Amerikaanse leger, maar werd achterhaald door Kilby's eigen verbeterde idee.

Jaren voor de officiële geboorte van het IC werkten diverse onderzoekers al aan dergelijke circuits. Zo vroeg de Duitser Werner Jacobi, destijds in dienst van Siemens AG, in 1949 een patent aan voor een versterker die aan een geïntegreerd circuit deed denken. Hij beschreef in zijn aanvraag een substraat met daarop vijf transistors die als versterker dienst deden. Ook ene Geoffrey Dummer, werkzaam voor het Britse ministerie van Defensie, beschreef een geïntegreerd circuit in 1952. Bijna gelijktijdig met Kilby bedacht Robert Noyce, onderzoeker bij Fairchild Semiconductor, een 'integrated circuit'. Hoewel Noyce zijn ontwerp ongeveer een half jaar na Kilby presenteerde, bleek dat van hem praktischer: zo maakte hij gebruik van silicium als substraat in plaats van Kilby's germanium.

De voordelen van een geïntegreerd circuit in plaats van losse componenten die op een printplaat zijn gesoldeerd zijn legio. Zo is het met een IC mogelijk betrouwbaarder circuits te bouwen die bovendien een grotere capaciteit wat betreft het aantal bouwstenen mogelijk maken. Dat potentieel werd in de beginjaren van de 'chips' nog niet benut: het aantal transistors dat een circuit toen bevatte, betrof slechts enkele tientallen exemplaren. Toch werden die meest eenvoudige chips al gebruikt in prestigieuze projecten als het Apollo-ruimtevaartprogramma en werd de geleidingselektronica van raketten met de relatief simpele techniek gerealiseerd. Die eerste jaren werden niet in de laatste plaats benut om de kosten van chips omlaag te brengen: een trend die tot op de dag van vandaag doorgaat.

Een tweede trend die in de jaren zestig werd ingezet en later als de wet van Moore bekend zou worden, is de realisatie van een steeds hogere dichtheid van transistors in een chip. Midden jaren zestig kreeg Kilby de opdracht van Texas Instruments-directeur een chip te bouwen voor een rekenmachine van het bedrijf: in 1970 werd de eerste 'pocket calculator' in Amerika geïntroduceerd. Eind jaren zestig werden al honderden transistors in de chips verwerkt, gevolgd door tienduizenden per chip medio jaren zeventig. De eerste computerchips werden in 1970 gemaakt: de 4bits 4004-cpu van Intel zag in 1971 het levenslicht. Die eenvoudige processor had een bescheiden kloksnelheid van 740kHz, maar was wel de eerste cpu.

Vanaf de jaren tachtig werden tienduizenden tot zelfs honderdduizenden transistors in een chip verwerkt. De integratie, van small scale, via medium scale tot large en very large scale integration gaat nog steeds gestaag door: de componenten worden steeds kleiner en de chips worden complexer: momenteel, vijftig jaar na de geboorte van de chip, worden honderden miljoenen componenten op een chip ondergebracht. Vooruitgangen in chipontwerp en -productie zorgen er vooralsnog voor dat de wet van Moore blijft opgaan. Moore, mede-oprichter van Intel, voorspelde in 1965 dat elk jaar een verdubbeling van het aantal transistors per chip zou plaatsvinden. Later stelde hij zijn voorspelling bij naar elke twee jaar een verdubbeling.

Voorlopig kan de wet van Moore te gelde gemaakt blijven worden: fotolithografische technieken worden steeds verfijnder en maken kleinere transistors en andere componenten mogelijk. Momenteel worden chips op 45nm gebakken, terwijl ook aan 32nm-technieken en de daaropvolgende stap, 22nm-structuren, wordt gewerkt. Ooit zal echter de grens van lithografie bereikt worden, als de structuren niet kleiner gemaakt kunnen worden. Nu al moeten chipontwerpers licht met zeer kleine golflengtes, zoals uv-licht, gebruiken om de kleine details in de chipontwerpen te maken. Ook zoeken chipfabrikanten hun toevlucht tot immersielithografie, waarbij een waterlens het licht concentreert en zo de golflengte, en effectief de feature-afmetingen op de chip, verder verkleinen. Waar de grens precies ligt, weet nog niemand, maar ooit zullen transistors niet veel groter dan atomen zijn. Dan treden quantummechanische effecten op, die de betrouwbare en voorspelbare werking van chips parten zal spelen. Tegen die tijd zullen echter wellicht nieuwe technieken de steeds verder gaande miniaturisering en de steeds betere prijs/prestatie-verhouding in stand houden.

Vast staat wel dat we inmiddels niet meer zonder de vijftig jaar oude uitvinding kunnen: er is zo langzamerhand bijna geen apparaat in huis of daarbuiten te bedenken dat niet van een chip voorzien is. Auto's, koffiezetapparaten, verlichting en alles daartussen is afhankelijk van chips, om nog maar van computers en communicatiemiddelen te zwijgen. Ook onze economie en zelfs onze overlevingsmogelijkheden zijn afhankelijk van de chipindustrie. Hoe de volgende vijftig jaar van de chip eruit zullen zien, weet niemand, maar het zullen ongetwijfeld interessante tijden worden.