Maskerstitching: chips groter maken dan de machine die ze maakt
Stel je voor dat je een groot tafelkleed wilt naaien, maar je stukken stof zijn allemaal even groot en kleiner dan de tafel. De oplossing is simpel: je legt de stukken tegen elkaar aan en naait de randen aan elkaar vast, zodat het patroon op de ene lap naadloos doorloopt in het patroon op de volgende. Dat is in de kern wat maskerstitching (in het Engels: mask stitching of reticle stitching) doet, maar dan met chips in plaats van stof, en met lichtstralen in plaats van naald en draad.
In de chipindustrie worden processorpatronen niet in één keer op een hele plak silicium (een 'wafer') gedrukt. De machines die dat doen, zogeheten steppers, kunnen maar een beperkt oppervlak per belichting aan: het zogenoemde 'reticle-veld'. Wil je een chip maken die groter is dan dat veld, dan moet je meerdere belichtingen zo precies naast en tegen elkaar plakken dat de bedrading op de naad gewoon doorloopt, alsof het één geheel is. Dat precisiewerk heet maskerstitching, en het is de sleuteltechnologie achter onder meer 's werelds grootste computerchips.
Wat is het precies?
Om te begrijpen waarom stitching nodig is, moet je eerst weten hoe een chip normaal wordt gemaakt. Bij fotolithografie schijnt een stepper licht door een 'masker' (ook wel reticle genoemd): een soort sjabloon met het schakelingpatroon erop. Dat licht valt op een laagje lichtgevoelig materiaal op de wafer en 'ontwikkelt' daar het patroon, net als bij analoge fotografie. Vervolgens verschuift de wafer een stukje en herhaalt het proces zich, veld voor veld, tot de hele plak silicium bedekt is met identieke kopieën van dezelfde chip.
Het probleem is dat de optiek van een stepper maar een beperkt gebied scherp en vlak kan projecteren: doorgaans ongeveer 26 bij 33 millimeter, oftewel zo'n 858 vierkante millimeter. Dat heet de reticle limit. Vrijwel alle gewone processoren, geheugenchips en beeldsensoren blijven binnen die grens. Maar soms wil je een schakeling die groter is dan dat ene veld: denk aan een chip die een volledige wafer beslaat, of een beeldsensor voor een telescoop die vele centimeters groot moet zijn.
Bij maskerstitching ontwerp je het patroon dan bewust zo dat de bedrading aan de rand van het ene veld exact aansluit op de bedrading aan de rand van het volgende veld. De stepper belicht de velden na elkaar met submicrometer-nauwkeurigheid, waarbij speciale uitlijnmarkeringen (alignment marks) ervoor zorgen dat elk nieuw veld op de juiste plek en met de juiste rotatie wordt geprojecteerd. Waar de twee velden elkaar raken, ontstaat een 'naad' (stitch) waar signalen, stroomvoorziening en soms zelfs hele datakanalen ononderbroken doorlopen, terwijl de rest van de chip nog steeds is opgebouwd uit losse, herhaalbare bouwstenen.
Dat vraagt om extra ontwerpwerk: chipontwerpers moeten van tevoren bepalen welke verbindingen de naad mogen kruisen en hoe je fouten aan de rand (bijvoorbeeld door lichte overlap of net niet perfecte uitlijning) opvangt zonder dat de schakeling kortsluit of uitvalt. Vaak wordt daarom extra ruimte, redundantie of foutcorrectie ingebouwd rond de stiknaden.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is simpel: hoe groter een chip, hoe meer rekenkracht, geheugen of lichtgevoelig oppervlak er op past, en hoe minder de chip last heeft van de vertraging en het energieverlies die ontstaan wanneer gegevens van de ene chip naar de andere moeten reizen. Bij kunstmatige-intelligentietoepassingen bijvoorbeeld kost het verplaatsen van data tussen aparte chips relatief veel tijd en stroom; blijft alles op één stuk silicium, dan gaat dat sneller en zuiniger.
Een tweede motivatie ligt bij beeldsensoren. Voor wetenschappelijke instrumenten, zoals sterrenwachten of medische scanners, wil men soms een sensor die veel groter is dan een gewone cameraChip, met een ononderbroken beeldoppervlak zonder naden in het beeld zelf (ook al zit de elektrische naad er wel degelijk in). Stitching maakt zulke reuzensensoren mogelijk zonder dat je losse chips tegen elkaar moet plakken, wat altijd een dode zone tussen de sensoren zou opleveren.
Ten derde speelt kostenefficiëntie een rol bij zeer specialistische, kleinschalige productie: in plaats van een compleet nieuw, duur maskerontwerp voor een enorme chip te maken, kun je met stitching bestaande kleinere maskerpatronen hergebruiken en combineren, wat vooral bij niche-toepassingen (zoals ruimtevaart- of onderzoeksapparatuur) de ontwikkelkosten drukt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste hedendaagse voorbeeld is de Wafer-Scale Engine van het Amerikaanse bedrijf Cerebras Systems. De eerste versie, WSE-1, kwam in 2019 uit en gebruikte een volledige wafer van 300 millimeter doorsnede als één enkele chip, opgebouwd uit 84 onderling verbonden 'dies' die via maskerstitching tot één functionerend geheel werden gesmeed. Cerebras bracht in 2021 de WSE-2 uit en in 2024 de WSE-3, telkens met meer transistors op hetzelfde wafer-oppervlak dankzij een geavanceerder fabricageproces.
Al decennia eerder werd stitching toegepast bij grote CCD-beeldsensoren voor astronomie. De Dark Energy Camera (DECam), operationeel sinds 2012 aan de Cerro Tololo-sterrenwacht in Chili, gebruikt onder meer gestitchte sensortechnieken om grote, foutarme beeldvlakken te krijgen. Ook de camera van het Vera C. Rubin Observatory, die vanaf 2025 in gebruik wordt genomen, bouwt voort op vergelijkbare grootschalige sensorproductietechnieken.
In de industriële beeldsensormarkt maakt onder meer Teledyne DALSA al langer gebruik van stitchingtechnieken om lijnsensoren en oppervlaktesensoren te maken die groter zijn dan de standaard reticle limit, bijvoorbeeld voor röntgeninspectie en drukwerkcontrole.
Ten slotte experimenteert de chipsector met stitching in bredere wafer-scale-initiatieven: TSMC onderzoekt sinds enkele jaren wafer-scale-integratie onder de noemer System-on-Wafer, waarbij vergelijkbare stitchingprincipes worden gecombineerd met geavanceerde 3D-chipstapeling.
Hoe ver is de techniek?
Maskerstitching zelf is geen nieuwe uitvinding: de basisprincipes bestaan al sinds de jaren tachtig en negentig van de vorige eeuw, toen onderzoekers ermee experimenteerden voor grote sensor- en geheugenchips. Wat de afgelopen jaren wél veranderd is, is de schaal en de complexiteit waarop het wordt toegepast, vooral door de vraag naar AI-rekenkracht.
Het grootste obstakel blijft opbrengst (yield): hoe groter het gestitchte oppervlak, hoe groter de kans dat ergens op de wafer een productiefout zit. Bij een gewone chip van minder dan een vierkante centimeter kun je een defecte chip gewoon weggooien; bij een chip die een hele wafer beslaat, moet je fouten juist opvangen met ingebouwde redundantie, zodat een klein defect niet de hele chip onbruikbaar maakt. Cerebras lost dit bijvoorbeeld op door rekenkernen die kapot blijken te zijn, elektronisch uit te schakelen en het verkeer eromheen te leiden.
Een tweede uitdaging is warmteafvoer: een chip zo groot als een wafer produceert enorm veel warmte op één plek, wat vraagt om gespecialiseerde koelsystemen die niet standaard beschikbaar zijn voor gewone chips. Ook de stroomvoorziening (honderden ampères verdeeld over het hele oppervlak) vergt maatwerktechniek.
Voor gewone consumentenelektronica blijft stitching vooralsnog een nichetoepassing: de meeste chips, inclusief de nieuwste smartphoneprocessors, hebben simpelweg geen reticle-overschrijdende omvang nodig en profiteren meer van andere technieken zoals 3D-chipstapeling (chiplets). Stitching wordt vooral ingezet waar de voordelen van één ononderbroken oppervlak echt opwegen tegen de extra kosten en risico's, zoals bij AI-supercomputers en wetenschappelijke sensoren.
Wie werken eraan?
Cerebras Systems, gevestigd in Sunnyvale (Verenigde Staten), is momenteel de meest zichtbare speler op het gebied van wafer-scale chips met maskerstitching, en werkt daarvoor samen met chipfabrikant TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) uit Taiwan, die de daadwerkelijke productie verzorgt.
De lithografiemachines waarmee stitching mogelijk wordt gemaakt, komen vrijwel uitsluitend van het Nederlandse bedrijf ASML, wereldmarktleider in steppers en scanners voor chipproductie. Onderzoeksinstituut imec in Leuven (België) doet fundamenteel onderzoek naar geavanceerde lithografietechnieken, waaronder uitlijnnauwkeurigheid die relevant is voor stitching.
Op het gebied van grootschalige beeldsensoren zijn Teledyne DALSA (Canada) en verschillende academische samenwerkingsverbanden rond grote sterrenwachtprojecten, zoals het Rubin Observatory-consortium (met onder meer het Amerikaanse SLAC National Accelerator Laboratory), actief. Ook Japanse en Zuid-Koreaanse chipfabrikanten volgen de ontwikkelingen rond wafer-scale-integratie, al is daarover minder in detail gepubliceerd.