Semiconductor technology & processing

5 min

An Steegen over CMOS en beyond-CMOS

“We hebben nieuwe concepten nodig voor onze computers, geheugens en netwerken”

Scroll

An Steegen, Executive Vice President Semiconductor Technology and Systems bij imec

Het Zettabyte tijdperk

Elk jaar produceren we een paar Zettabytes (= 1012 GB) data. Tegen 2025 zal dit een paar honderd Zettabytes per jaar zijn. Niet alleen deze hoeveelheid data is enorm, ook de energie die we verbruiken om de data op te slaan: voor één Zettabyte heb je 1.000 datacenters nodig; en elk datacenter verbruikt evenveel energie als 180.000 huishoudens. 

En niet enkel het energieverbruik is een probleem. De beste processorchips vandaag – degene die je in het hart van een supercomputer vindt – kunnen Terabyte (= 103 GB) berekeningen per seconde uitvoeren. De optische links van vandaag kunnen 3 TB per seconde overbrengen. En geavanceerde geheugens kunnen 1 TB opslaan. Er is dus duidelijk nog een lange weg af te leggen vooraleer we efficiënt kunnen omgaan met de ZB aan data. Natuurlijk kunnen we – zoals we al tientallen jaren doen – transistors verder blijven verkleinen om betere processors, geheugens en netwerken te maken. Maar we zullen ook met compleet nieuwe ideeën moeten komen voor het Zettabyte tijdperk. 

Een molecule als geheugen 

Samen met de industrie werken we aan de geheugens van morgen: high speed embedded on-chip cache geheugens zoals SRAM & STT-MRAM, geschaalde high speed dynamic random access geheugens (DRAM), nieuwe storage-class geheugens voor grootschalige data access in korte tijd, zoals RRAM en NAND Flash geheugencellen voor high performance en mobile devices. Recent lanceerden we ook een totaal nieuw en uiterst fascinerend onderzoekstopic: DNA-geheugens. 

Net zoals harde schijven digitale informatie opslaan, houden DNA-moleculen onze biologische informatie bij, in de cellen van ons lichaam. Is het mogelijk om DNA-moleculen te gebruiken om ook digitale informatie op te slaan? Zo lijkt het wel. Onderzoekers van Harvard slaagden er namelijk in om 50,000 woorden vast te leggen in een DNA-molecule. Het grote voordeel van DNA is dat het heel compact is en heel lang stabiel blijft. Zo zou je Petabytes (= 106 GB) aan data kunnen opslaan in 1 gram DNA, gedurende 500.000 jaar. 

Het opslaan van digitale informatie in DNA is voorlopig nog een heel traag en duur proces. Bij imec hebben we alle expertises in huis – halfgeleider- en geheugentechnologie, biotechnologie, biologie, chemie – om het potentieel van DNA-geheugens verder uit te zoeken en een betaalbaar en gebruiksvriendelijk DNA-opslag platform op te zetten. De wisselwerking tussen onderzoekers met verschillende achtergronden zal de sleutel zijn tot het succes van dit nieuw soort geheugen.

De interactie tussen de verschillende expertises werkt trouwens ook in de andere richting: geavanceerde transistorarchitecturen zoals FinFETs en nanodraden worden uitgetest voor het uitlezen van DNA-sequenties. In de toekomst zullen nieuwe manieren om DNA uit te lezen nodig zijn om DNA-sequencing sneller, goedkoper en gebruiksvriendelijker te maken. Alleen dan kan het evolueren tot een standaard diagnosetechniek. 

Data omzetten in wijsheid

De Zettabytes aan data omzetten in kennis en inzichten is een van de grootste uitdagingen van onze tijd. Allereerst zullen we de traditionele schalingstechnieken gebruiken om transistoren kleiner en efficiënter te maken en zo onze computers, geheugens en netwerken te verbeteren. Terwijl de industrie momenteel de 10nm logic technologie implementeert, zijn onze onderzoekers bezig met de volgende generaties transistoren, met afmetingen van 3nm en kleiner. Ze gebruiken hiervoor nieuwe transistorarchitecturen, nieuwe materialen, enz. Nog steeds slagen we erin om op deze manier snellere en betere transistoren te maken. De Wet van Moore zal ons dus nog een tijdje bijstaan in ons werk. 

Ook op het vlak van geheugens werken we continu aan verbeteringen. Verder zullen 3D-chips en optische links een hoofdrol spelen in de hybride systemen van de toekomst.
Met veel inspanningen en innovatieve ideeën, hopen we nog een tijdje te kunnen doorgaan met de conventionele schalingstechnieken en een verdubbeling van snelheid en dichtheid te behalen bij elke opeenvolgende technologiegeneratie. Maar het zal niet voldoende zijn om de enorme hoeveelheid data die op ons afkomt, op te slaan, door te sturen, te verwerken en er ook nog ‘kennis’ uit te halen. Uiteindelijk willen we een computer, of machine, maken die iets zinvols kan doen met de data die hij verzamelt. 

Dit concept heeft verschillende namen: deep learning, machine learning, neuromorphic computing, of de algemene naam: artificiële intelligentie. Ook imec draagt hier zijn steentje bij. Dankzij het samengaan met iMinds, zijn er nu verschillende imec onderzoeksgroepen die actief zijn in het domein van machine learning. Het zal hierbij belangrijk zijn om de juiste machine learning techniek te kiezen voor de juiste toepassing. 

Kwantumcomputers

Er zijn problemen die onmogelijk kunnen opgelost worden met de conventionele computerarchitecturen. Een zo’n probleem is de complexe structuur van proteïnen, en het vouwen van het proteïne. De studie hiervan is belangrijk voor het begrijpen van de werking van het proteïne en uiteindelijk ook het begrijpen van bepaalde ziektes.  

Om dergelijke vraagstukken op te lossen, kijken wetenschappers hoopvol naar kwantumcomputers. Eenvoudig gezegd werken kwantumcomputers niet enkel met 0 en 1 – zoals huidige computers – maar ook met alle niveaus ertussenin. Een kwantumcomputer bekijkt het probleem van verschillende kanten en voert enorme hoeveelheden parallelle berekeningen uit. 
Tot nu was kwantum computing vooral een zaak van academische onderzoeksgroepen. Imec, met zijn relevante expertise, infrastructuur en technologieplatformen, lanceert nu een nieuw programma op kwantum computing. Het doel is om een industrieel-bruikbaar en schaalbaar kwantum-technologieplatform op te zetten.   

5G-netwerken 

5G-netwerken worden commercieel beschikbaar vanaf 2020 als opvolgers van de 4G LTE mobiele netwerken van vandaag. Er zullen hiervoor nieuwe, meer complexe front-end radiomodules nodig zijn met meer geavanceerde integratieschema’s die de antennes, RF-chip en modems optimaal linken. Geschaalde technologieën zullen onmisbaar zijn in dit verhaal, evenals high-speed analoge RF-componenten. 

Imec heeft heel wat innovatieve circuit-oplossingen op zijn palmares staan, waarin off the shelf foundry technologieën gebruikt werden. Nu zullen deze systeemoplossingen gecombineerd worden met de meest geavanceerde expertise op het vlak van logic, processtappen en III-V, die bij imec aanwezig zijn, om zo supersnelle analoge componenten te bouwen en zeer innovatieve 5G-componenten. De echte voordelen van geschaalde technologieën zullen dan tot uiting komen, gecombineerd met de nieuwste circuitontwerpen. Dit onderzoek spitst zich toe op high-speed toepassingen, maar dezelfde technologieën kunnen ook gebruikt worden voor low-power toepassingen. We gebruiken een gelijkaardige aanpak – het linken van technologie en systeem knowhow – voor onze mm-wave en sensoroplossingen

De bouwblokken voor een slimme omgeving

Onderstaande figuur toont op een overzichtelijke manier de verschillende niveaus van de slimme omgeving. De slimme omgeving vereist nieuwe toepassingen, die gebaseerd zijn op een nieuwe infrastructuur voor berekeningen, opslag en uitwisseling van data. Daarnaast zullen ook nieuwe componenten, sensoren, actuatoren enz. moeten ontwikkeld worden, en systeemfuncties moeten verbeterd worden. Technologieplatformen en innovaties in processtappen liggen uiteindelijk aan de basis van dit alles. En imec – met al deze expertise in huis – is ideaal geplaatst om deze toekomst uit te bouwen. 

smart society technologies imec

Biografie An Steegen

An Steegen is imec’s EVP for semiconductor technology & systems. In that role, she heads the semiconductor technology & systems unit and is responsible for the next-generation CMOS & CMORE technologies R&D. Dr. Steegen is a recognized industry leader and an acclaimed speaker at the industry’s prominent semiconductor conferences and events. An Steegen joined imec in 2010 as senior VP responsible for imec’s CORE CMOS programs. Before, she was director at IBM Semiconductor R&D in Fishkill, New York and host executive of IBM’s logic International Semiconductor Development Alliance. Dr. An Steegen holds a Ph.D. in Material Science and Electrical Engineering from the KU Leuven (Belgium).

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies