Chipsysteem (System-on-Chip): één chip die een heel apparaat aanstuurt
Stel je een smartphone voor van tien jaar geleden: binnenin zaten aparte chips voor de processor, het geheugen, de camera en de internetverbinding, allemaal met eigen bedraiding met elkaar verbonden. Een chipsysteem, in vaktaal een System-on-Chip (afgekort SoC), propt al die functies juist samen op één stukje silicium, niet groter dan een postzegel. Het is te vergelijken met het verschil tussen een orkest waarbij elke muzikant in een andere kamer zit versus een orkest dat compact op één podium staat: de communicatie verloopt sneller en er is minder "reistijd" tussen de onderdelen.
Vrijwel elk moderne smartphone, smartwatch en steeds meer auto's draaien op zo'n chipsysteem. Het is de reden dat een telefoon tegenwoordig foto's kan verbeteren met kunstmatige intelligentie, tegelijk kan videobellen en nauwelijks warm wordt, terwijl de batterij een hele dag meegaat. Die combinatie van kracht en zuinigheid is precies waar chipsystemen om draaien, en het is een van de stille motoren achter de vooruitgang in toekomsttechnologie.
Wat is het precies?
Een traditionele computer bestaat uit losse onderdelen: een processor (CPU) voor rekenwerk, een aparte grafische chip (GPU) voor beeld, geheugenchips voor tijdelijke opslag, en losse chips voor bijvoorbeeld wifi of een modem. Al die onderdelen praten met elkaar via bedrading op een moederbord, wat energie kost en tijd (vertraging, ook wel latency genoemd).
Bij een SoC worden zoveel mogelijk van die functies samengevoegd op één stuk silicium. Naast de CPU en GPU zit er vaak ook een NPU in (Neural Processing Unit), een gespecialiseerd rekenonderdeel dat is ontworpen voor kunstmatige intelligentie, zoals het herkennen van gezichten in foto's. Ook een geheugencontroller, een beeldverwerkingsmodule voor de camera (Image Signal Processor) en soms zelfs een modem voor mobiel internet kunnen mee-geïntegreerd zijn.
Om zo'n chip te maken, wordt een ontwerp "gedrukt" op een schijfje silicium via een fabricageproces dat wordt uitgedrukt in nanometers (nm), zoals 5nm of 3nm. Hoe kleiner dat getal, hoe dichter de miljarden schakelingen (transistors) op elkaar gepakt zitten, wat meestal zorgt voor meer rekenkracht bij minder stroomverbruik. Deze geavanceerde productie gebeurt in gespecialiseerde fabrieken, foundries genoemd, waarvan er wereldwijd maar een handjevol zijn die de nieuwste processen beheersen.
Een recentere ontwikkeling is de chiplet-architectuur: in plaats van alles op één ononderbroken stuk silicium te bakken (monolithisch ontwerp), worden kleinere losse "chiplets" gemaakt die vervolgens dicht bij elkaar in één behuizing worden samengevoegd. Dit maakt productie goedkoper en flexibeler, omdat een defect in één klein onderdeel niet de hele grote chip onbruikbaar maakt, maar de onderlinge verbindingen zijn technisch nog altijd een uitdaging.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is energie-efficiëntie. Doordat onderdelen dicht bij elkaar liggen, hoeven elektrische signalen een veel kortere afstand af te leggen, wat stroom bespaart. Voor apparaten die op een batterij draaien, zoals telefoons, wearables en drones, is dat cruciaal.
Daarnaast speelt vormfactor een grote rol: één kleine chip in plaats van tien losse onderdelen betekent dat fabrikanten dunnere, lichtere apparaten kunnen bouwen, met ruimte over voor bijvoorbeeld een grotere batterij.
Ook snelheid is een doel. Voor toepassingen als real-time AI-verwerking (denk aan spraakherkenning of camerabeeld verbeteren terwijl je een foto neemt) is het belangrijk dat CPU, GPU en NPU razendsnel data kunnen uitwisselen, wat eenvoudiger is als ze op dezelfde chip zitten.
Tot slot spelen kosten een rol bij massaproductie: hoewel het ontwerpen van een SoC duur en complex is, wordt de productie per stuk goedkoper naarmate er miljoenen exemplaren van gemaakt worden, zoals bij smartphones.
Voorbeelden uit de praktijk
Apple Silicon is misschien wel het bekendste voorbeeld. Sinds de M1-chip in 2020, gevolgd door de M2, M3 en M4, gebruikt Apple eigen ontworpen SoC's in Mac-computers, waarbij CPU, GPU, geheugen en een NPU (die Apple de "Neural Engine" noemt) op één chip samenkomen. Ditzelfde principe gebruikt Apple al langer in de A-serie chips voor de iPhone.
Qualcomm maakt met de Snapdragon-serie de chipsystemen die in een groot deel van de Android-telefoons wereldwijd zitten, inclusief geïntegreerde 5G-modems.
Google Tensor, geïntroduceerd in de Pixel 6 in 2021, is Googles eigen SoC-ontwerp, specifiek geoptimaliseerd voor AI-taken zoals live vertalen en foto-verwerking.
Tesla ontwikkelde een eigen SoC voor zijn Full Self-Driving-systeem (FSD-chip, sinds 2019 in productie), specifiek ontworpen om de enorme hoeveelheid cameradata in de auto in real time te verwerken voor zelfrijdende functies.
NVIDIA maakt met de Jetson- en Orin-chipfamilies SoC's die veel gebruikt worden in robotica en door andere autofabrikanten voor rijhulpsystemen, met gespecialiseerde AI-rekenkracht aan boord.
Hoe ver is de techniek?
Voor smartphones en laptops is SoC-technologie inmiddels zeer volwassen: vrijwel elk modern toestel draait erop. De ontwikkeling gaat hier vooral over steeds kleinere fabricageprocessen (van 5nm naar 3nm en verder) en het efficiënter combineren van AI-rekenkracht.
Voor toepassingen in auto's en robotica is de techniek nog volop in ontwikkeling. Zelfrijdende systemen vragen om chips die enorme hoeveelheden sensordata razendsnel kunnen verwerken zonder ooververhitting, wat een blijvende technische uitdaging is (thermal throttling: een chip die vertraagt omdat hij te heet wordt).
Een ander obstakel is de opbrengst (yield) bij de nieuwste fabricageprocessen: hoe kleiner en complexer de chip, hoe groter de kans dat een deel van de geproduceerde chips defect is, wat de kosten opdrijft. Het bouwen van een fabriek die de nieuwste nodes aankan, kost bovendien tientallen miljarden euro's.
Ook geopolitiek speelt een grote rol. De meest geavanceerde machines om chips te fabriceren, zogeheten EUV-lithografiemachines, worden vrijwel uitsluitend gemaakt door het Nederlandse bedrijf ASML. Exportbeperkingen vanuit de Verenigde Staten, gericht op het beperken van Chinese toegang tot deze technologie, hebben de afgelopen jaren voor spanningen gezorgd in de wereldwijde chipindustrie.
Wie werken eraan?
Apple, Qualcomm, Samsung, MediaTek en NVIDIA zijn de belangrijkste ontwerpers van SoC's voor consumentenelektronica. Zij ontwerpen de chips, maar laten de daadwerkelijke productie vaak over aan gespecialiseerde fabrikanten.
TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) is wereldwijd de grootste en meest geavanceerde chipfabrikant (foundry) en produceert chips voor onder meer Apple en NVIDIA. Samsung Foundry en Intel Foundry zijn concurrenten die eveneens geavanceerde processen aanbieden.
ARM, een Brits bedrijf, ontwerpt geen eigen chips maar licentieert de processorarchitectuur die in bijna alle mobiele SoC's wordt gebruikt.
ASML, gevestigd in Veldhoven, is de enige leverancier van de meest geavanceerde EUV-machines die nodig zijn om de kleinste, modernste chips te maken, en speelt daarmee een sleutelrol in de hele keten.
Op landenniveau investeren de Verenigde Staten (via de CHIPS Act), de Europese Unie (via de European Chips Act) en landen als Taiwan en Zuid-Korea fors in chipproductie op eigen bodem, deels om minder afhankelijk te zijn van elkaar. China investeert eveneens zwaar in het opbouwen van een eigen chipindustrie, mede als reactie op exportbeperkingen vanuit het Westen.