de uitvinding van de transistor in 1947 zette een hele keten aan nieuwe ontwikkelingen in gang. steeds meer transistoren kunnen gecombineerd worden in één enkele chip; de voorspelling van een halve eeuw geleden dat de capaciteit om het anderhalf jaar zou verdubbelen blijkt nog steeds te kloppen. de optimalisatie van chiptechnologie heeft voor immense vooruitgang gezorgd in ontelbaar veel industriële sectoren. in dat hele proces hebben diverse regionen in de wereld elk hun eigen rol gespeeld.

Chip war: de digitale race

Martin Hinoul

In 2022 verscheen het boek Chip War: The Fight for the World’s Most Critical Technology, door Chris Miller, verbonden aan Tufts University (Massachusetts, VS). Het boek werd terecht door de Financial Times bekroond als ‘Business Book of the Year 2022’. Het is een van de weinige boeken die het boeiende verhaal van de microchip ten gronde analyseren en het ook in de juiste geopolitieke, economische en technologische context kaderen.

Aan de universiteit van Pennsylvania werd in 1946 de Electronic Numerical Integrator and Computer (eniac) ontwikkeld, gevolgd door de eerste commerciële computer, de univac. Deze logge machine woog maar liefst 15 000 kilo, was 16 meter lang, 8 meter breed en 2,5 meter hoog, en telde 5 000 vacuümbuizen die 20 kilowatt aan warmte produceerden. Dit technologische hoogstandje was toch al goed voor het maken van 2 000 berekeningen per seconde. Van deze univac-machines zouden 46 exemplaren verkocht worden.

In 1947 werd in de legendarische Bell-laboratoria van de telecomreus att in Murray Hill, New Jersey, dan weer de transistor uitgevonden. De transistor zou een van de meest ingrijpende technologische doorbraken van de voorbije twee eeuwen worden, te vergelijken met de uitvinding van de stoommachine (1775), de elektromotor (1832), de verbrandingsmotor (1860) en de gloeilamp (1878). Zo’n transistor is een zeer kleine, relatief eenvoudige elektronische component, opgebouwd uit halfgeleidend materiaal, zoals silicium of germanium. Deze materialen zijn te vergelijken met glas, maar met dit verschil dat men er elementen aan kan toevoegen (doperen) zoals fosfor of antimoon, en dat ze bij het aanleggen van een elektrisch veld vervolgens stroom kunnen geleiden of elektrische signalen kunnen versterken. Transistoren zijn de bouwstenen voor computergeheugens en vormden de oplossing voor het hoge energieverbruik van de klassieke vacuümbuizen, die bovendien ook erg veel ruimte innamen. Hierdoor kwam de transistor al snel op in tal van sectoren, waaronder die van radio, computers en telecommunicatie.

De transistor zou een van de meest ingrijpende technologische doorbraken worden

Het waren de wetenschappers John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley die de transistor ontwikkelden. Hun collega John Robinson Pierce combineerde de termen transfer (overdracht) en varistor (variabele weerstand) en bezorgde de nieuwe component zo zijn naam. Op 23 december 1947 maakte de directie van de Bell-labs deze ontwikkeling wereldkundig, en in 1955 ontving Shockley er de Nobelprijs voor Fysica voor. Dat jaar vertrok hij naar Californië om er zijn bedrijfje Shockley Transistor op te richten in de stad Mountain View, nu gekend als deel van Silicon Valley.

In 1957 noteren we de komst van het bedrijf Fairchild Semiconductor, bekend voor zijn acht briljante toptechnologen, ook weleens ‘the Traitorous Eight’ genoemd. Onder hen bevonden zich Robert Noyce, Gordon Moore en Eugene Kleiner. Noyce lag aan de basis van de geïntegreerde schakeling of integrated circuit (ic); ook hij won een Nobelprijs. Moore beschreef in 1965 de legendarische wet dat het aantal transistoren dat men op een bepaald stukje silicium kan neerzetten iedere 18 maanden zou verdubbelen. Zestig jaar na Moores uitspraak mag gesteld worden dat zijn wet nog steeds geldt. Zo zitten er vandaag enkele miljarden transistoren in onze smartphones en maakte de ceo van Nvidia, Jensen Huang, bekend dat zijn Blackwell gpu (graphics processor) zomaar even 208 miljard transistoren bevat.

Albert Yu, een van Moores collega’s, stelde dat ‘Moore’s law’ niet enkel een natuurkundige wet was, maar voortkwam uit het nauwe samenspel van technologie en business. In die zestiger jaren ontwikkelde zich dan ook een compleet nieuwe industrie rond deze microchips. Silicon Valley blijft tot op vandaag de meest gerenommeerde en tot de verbeelding sprekende hightechregio in de wereld, gelegen rond Stanford University. Het gebied telt honderden chipbedrijven, waaronder Intel (1968), met de drie grote tenoren Noyce, Moore en Andy Grove, en Advanced Micro Devices (amd), in 1969 opgezet door Jerry Sanders. Ook bedrijven voor chipdesign en toeleveranciers van apparatuur en materialen (bijvoorbeeld het monokristallijn silicium voor de silicon wafers) vestigden zich er. Deze activiteiten brachten ook de komst van talrijke durfkapitaalbedrijven met zich mee, en ook de Amerikaanse defensie-industrie bleef niet onbewogen door de transistortechnologie, met bedrijven als Lockheed Martin.

Belangrijk om hier te vermelden is het feit dat het industriële Europa van die dagen, dat toch de thuishaven was voor sterke elektronicabedrijven zoals Siemens en Philips en sterke telecombedrijven zoals Nokia en Ericsson, weinig of geen belangstelling vertoonde voor deze nieuwe chipindustrie. Een strategische fout in het Europese industriële beleid van de 20ste eeuw, in sterk contrast met het feit dat het oude Europa de beste universiteiten ter wereld kende waar het ging over de kennis van ‘vastestoffysica’ die aan de basis lag van deze nieuwe industrie. Wat Europa niet besefte, was dat deze chipindustrie een van de belangrijkste bouwstenen zou worden van de digital value chain, de waardeketen van de digitale economie.

Het industriële Europa van de 20ste eeuw toonde weinig of geen interesse voor de nieuwe chipindustrie

Bij Intel slaagde Ted Hoff, postdoctoraal student aan Stanford University met ervaring in computerarchitectuur, erin een programmeerbare computer te maken waarbij 12 verschillende chips voor het eerst werden samengebracht op slechts één chip, met in totaal 24 000 transistoren. Een huzarenstuk. De eerste microprocessor, de centrale werkingseenheid van de computer, was hiermee geboren. De Intel-4004-microprocessor werd in 1971 gelanceerd en bleek veel krachtiger te zijn dan de logge eniac-computer. Het bekende ‘Intel Inside’-logo maakte ook zijn intrede. De 4004 zou gevolgd worden door de Pentium, Itanium en Xeon. Zij zouden mee aan de basis liggen van de digitale revolutie die de economie van de 21ste eeuw sterk zou bepalen.

Parallel aan deze microprocessorenwedloop kondigde zich een tweede wedloop aan, rond geheugenchips of memory. In 1969 bracht Intel de 3101 op de markt, een ’64-bit Schottky bipolar ram’ (random access memory). Enkele maanden later volgde reeds de eerste mos-static ram, waarbij mos staat voor metal oxide semiconductor. Beide technologieën zouden voor vele jaren aan de basis liggen van de verdere explosieve uitbouw van deze chipindustrie.

Maar ook Japan stortte zich in de race. Bedrijven zoals Toshiba, Fujitsu, Matsushita, Mitsubishi, Sharp en nec zouden in het begin van de jaren ’80 de Amerikaanse geheugenmarkt volledig overnemen. In Silicon Valley sprak men zodoende over een tweede Pearl Harbor. Het Japanse geheugen was niet alleen beter dan het Amerikaanse, het was ook veel goedkoper, een fenomeen dat ons vandaag de dag doet denken aan de zonnepanelen en elektrische wagens uit China. Ook Intel bleef in 1984 niet gespaard. Andy Grove, de briljante ceo, nam al vlug de beslissing om zijn acht Intel-geheugenbedrijven te sluiten en zich vanaf nu uitsluitend nog te richten op microprocessoren. Achtduizend mensen verloren hun baan. In 1986 werden de meeste Amerikaanse geheugenbedrijven, zoals National en amd, van de kaart geveegd, de eerste dramatische recessie voor Silicon Valley. Ze misten de kracht om deze Japanners te verslaan; een op vijf jobs in de Valley ging verloren. Er was een sterke analogie met de teloorgang van Detroit en haar autonijverheid door de opmars van Japanse wagens. De Semiconductor Industry Association (sia) verzette zich heftig tegen deze Japanse handelspraktijken. Een ‘US-Japan Semiconductor Trade Agreement’ werd getekend in 1986, maar bracht weinig soelaas. Het was niet alleen een probleem van prijsdumping; Japan had daarenboven duidelijk gekozen voor een nieuw investeringsbeleid voor deze riskante nieuwe industrie, een beleid dat voor de Amerikaanse halfgeleiderindustrie niet transparant was. Een positieve noot was het feit dat een aantal Amerikaanse chipbedrijven besloten zich in Europa te vestigen. Zo koos Intel voor een waferfab – een chipfabricage-eenheid – in Ierland en opteerde amd voor Dresden (Duitsland). Goed voor Europa.

Japan zou begin jaren ’80 de Amerikaanse geheugenmarkt overnemen; men sprak over een tweede Pearl Harbor

Na Japan zou ook Zuid-Korea in beeld komen, met het bedrijf Samsung. Samsung Electric Industries werd opgezet in januari 1969, een jaar na Intel, in de stad Suwon. In Zuid-Korea was er toen nog helemaal geen sprake van een halfgeleiderindustrie en was er geringe kennis van de vastestoffysica. De oprichter, Lee Byung-chul, een leek in de elektronica, ging echter strategische joint ventures aan met de Japanse bedrijven Sanyo en nec. In 1974, na de acquisitie van Korea Semiconductor, zette Samsung zijn eerste stappen in de halfgeleiderindustrie met Samsung Semiconductor & Communications. Tien jaar later, in 1983, waagde het bedrijf zich al aan de ontwikkeling van halfgeleidergeheugens: dynamic random access memory (dram). De voorstelling in 1984 van de eerste 64-kb-dram was een ware doorbraak; voortaan heette het bedrijf Samsung Electronics. In 1992 volgde de 64-Mb-dram, in 1994 de 256-Mb-dram en in 1996 de 1-Gb-dram. In tien jaar dus van kilobits naar megabits en gigabits. Tevens richtte Samsung wereldwijd een resem r&d-centra op, waaronder in Toronto, New York City, Cambridge en Bangalore.

Tegelijkertijd wierp Samsung zich ook op de sterk groeiende markt van mobiele telefoons, waar het al in 2007 de tweede plaats bekleedde, na Apple. Motorola, Nokia en Ericsson kregen rake klappen. Met Samsungs ontwikkeling van de A7-processor voor het bedrijf Apple lag het mee aan de basis van het enorme succes van de iPhone 5S, de absolute leider in de smartphonemarkt. In 2013 verbaasde Samsung iedereen met de lancering van de Galaxy S4, een smartphone met 4G-(lte-)technologie.

Samsung Electronics was niet meer te stoppen en bouwde in 2020 een groot halfgeleiderbedrijf in Austin (Texas), en wel een waferfab met state-of-the-art 3-nanometer-lijnbreedtetechnologie; een nanometer is een miljardste van een meter. De kostprijs voor zulke waferfabs is van de orde van 15 miljard dollar. Belangrijke nieuwe investeringen kwamen er met de steun van de Chips and Science Act van 2022, waarbij dit nieuwe Amerikaanse industriebeleid meer dan 50 miljard dollar voorzag om de halfgeleiderindustrie in de Verenigde Staten opnieuw op niveau te brengen. Ook Europa volgde al snel met eenzelfde instrument, de European Chips Act, waarbij 43 miljard euro werd uitgetrokken om ook het Europese chipgebeuren aanzienlijke steun te geven.

In 2024 wordt de chipindustrie volledig gedomineerd door het triumviraat van Intel, Samsung en TSMC

Onze tocht trok inmiddels van Murray Hill over Silicon Valley en Japan naar Zuid-Korea, maar is nog niet ten einde: we reizen verder naar Taiwan, officieel de Republiek van China genoemd, een landje met 24 miljoen inwoners. Morris Chang, een jonge student uit Hongkong, trok naar mit in Massachusetts om daarna ervaring op te doen in enkele Amerikaanse bedrijven. In 1983 bouwde hij in Taiwan de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (tsmc) uit, met als partners Philips en de Taiwanese overheid. tsmc is vandaag het grootste halfgeleiderbedrijf ter wereld en produceert zomaar eventjes 85 % van alle complexe chips, met waferfabs in Taiwan, China, Singapore en de VS. Met 65 000 werknemers realiseert dit bedrijf een omzet van 67 miljard dollar, met een marktwaarde van 500 miljard. In de komende drie jaar investeert tsmc nog maar eens 100 miljard dollar in nieuwe state-of-the-art waferfabs.

Anno 2024 wordt deze chipindustrie volledig gedomineerd door het ‘Triumviraat’: Intel, Samsung Electronics en tsmc nemen het leeuwendeel in van een wereldchipmarkt die inmiddels 600 miljard dollar waard is en op weg is naar een waarde van 1 000 miljard, of 1 biljoen, in het jaar 2030.

De Volksrepubliek China beseft al geruime tijd dat microchips van kapitaal belang zijn om de sterk groeiende Chinese bedrijven competitief te houden, zoals Alibaba, Baidu, Tencent, zte en Huawei, allen digitale bedrijven te vergelijken met Microsoft, Google, Apple, Intel, Meta, Invidia of Qualcomm. President Xi Jinping spendeerde dan ook al heel wat miljarden om deze achterstand in te halen. Een van de belangrijke Chinese programma’s is zeker het programma Made in China 2025, waarmee China zijn eigen kritische componenten zelf wil bouwen opdat het zelf ook kan instaan voor het maken van complexe microchips.

Er ontstond ten tijde van Trump zowaar een nieuwe Koude Oorlog, een volgende ‘chip war’

Tijdens het Amerikaanse presidentschap van Donald Trump zouden alle Chinese data- en mediabedrijven sancties opgelegd krijgen voor de invoer van complexe chips. Het werd zowaar een nieuwe Koude Oorlog, een volgende ‘chip war’. Ook zouden de toeleveringsbedrijven van deze Chinese bedrijven exportbeperkingen opgelegd krijgen door de VS, zo ook het Nederlandse bedrijf asml uit Veldhoven. asml maakt als enige ter wereld de meest gevorderde lithografiemachines, van het type euv (extreme ultraviolet), die onmisbaar zijn voor het maken van de meest geavanceerde microchips.

Toch slaagde China er in de laatste tien jaar in om enkele grote chipbedrijven op te zetten, zoals de Yangtze Memory Technologies Corporation (ymtc) en de Shanghai Semiconductor Manufacturing International Corporation (smic). Deze bedrijven slaagde er alvast in om 7-nanometerstructuren te bouwen met de voor China beschikbare vorige generatie van asml-machines, van het type duv (deep ultraviolet). In de laatste, erg succesvolle, smartphone Huawei P60 Pro worden deze 7-nanometerchips verwerkt. Ze zijn nu zeker competitief met Apple en Samsung. De vraag die ons rest, is of China ooit deze nieuwe complexe chips zal kunnen produceren, of waarschijnlijk eerder wanneer het land deze technologiekloof zal overbruggen opdat het in deze digitale race competitief kan zijn met bedrijven zoals Huawei en Tencent. De VS zullen vrijwel zeker verdere sancties en beperkingen blijven opleggen, waardoor China genoodzaakt zal zijn om de eigen research te blijven versterken.

En wat met Europa? In 2022 gaf ons continent eindelijk zijn achterstand in deze cruciale technologiesector toe. Met slechts 9 % van deze halfgeleidersmarkt van 600 miljard dollar in handen wil Europa met de nieuwe European Chips Act een marktaandeel van 20 % ambiëren tegen 2030. Een moeilijke, zo niet onhaalbare opdracht, als men beseft dat de chipmarkt tegen 2030 nog maar eens bijna in waarde zal verdubbelen tot 1 biljoen dollar.

De chipmarkt zal tegen 2030 ongeveer 1 biljoen dollar waard zijn

De European Chips Act zal het Europese onderzoek ongetwijfeld sterk stimuleren, wat zeker het Leuvense instituut imec, het belangrijkste onderzoekscentrum voor halfgeleiders in Europa en wellicht in de wereld, ten goede zal komen. Europa hoopt met deze Chips Act ook vooruitgang te boeken in het ontwerpen, produceren en verpakken van deze complexe chips en wil verder investeren in een reeks nieuwe waferfabs en uiteraard in het talent dat broodnodig is voor deze complexe sector. Daarvoor maakt Europa een budget van 43 miljard euro vrij.

De chipsector is vandaag een van de belangrijkste technologische sectoren en ongetwijfeld de belangrijkste bouwsteen in de digitale race. Chips zijn cruciaal voor de telecomsector, dataverkeer, e-commerce, cybersecurity, artificiële intelligentie, elektrische voertuigen, zelfrijdende wagens, supercomputers, kwantumcomputers, defensie en zo verder. In het domein van onderzoek kan Europa zeker een belangrijke rol blijven spelen, met onderzoekscentra zoals imec in Leuven, Leti in Frankrijk en Fraunhofer in Duitsland. Ook zal Europa met de Chips Act enkele grote chipbedrijven kunnen aantrekken, à la Intel, Samsung of tsmc. Toch bestaan er behoorlijk wat twijfels. De Europese achterstand is erg groot en velen vrezen dat de European Chips Act weleens too little too late zou kunnen zijn.

Ondertussen wordt er uitgekeken naar China, dat ondanks sancties en invoerbeperkingen alle middelen inzet om zo snel mogelijk dit soort complexe componenten autonoom te kunnen fabriceren. Op geopolitiek vlak beseft men maar al te goed dat Xi Jinping richting Taiwan blijft kijken om dit land aan te hechten. Op slag zou China dan beschikken over wereldvermaarde bedrijven zoals tsmc, het beste chipbedrijf in de wereld, en Foxconn, dat behoort tot de Hon Hai Precision Corporation, de wereldleider voor het verpakken van chips en de assemblage van elektronische componenten zoals smartphones. Dit leidt uiteraard tot enorme spanningen met de VS, die deze aanhechting van Taiwan noch politiek, noch economisch, noch technologisch zullen aanvaarden.

Het laatste hoofdstuk over deze ‘chip war’ is dus nog lang niet geschreven.

Chris Miller, Chip War: The Fight for the World’s Most Critical Technology. (New York: Scribner Books, 2022).

Dr. martin hinoul is wetenschappelijk adviseur en voormalig medewerker van KU Leuven R&D.