AI dwingt elektronica-industrie om verder te kijken dan PCB’s en chips

AI-workloads zorgen voor een verplaatsing van de systeemcomplexiteit van printplaten naar nauw geïntegreerde architecturen. Dat biedt kansen voor Europa door het achterhoedegevecht van de chipgerichte industriepolitiek in te ruilen voor een systeemgerichte strategie. Dat stelt TNO in de vision paper ‘Beyond PCB and Chips: The Invisible Revolution in Electronics and the Opportunities for Europe’.

Net als elektriciteit en internet evolueert elektronica naar een onzichtbare, onmisbare maatschappelijke infrastructuur. Die raakt meer en meer verweven met niet alleen machines en apparaten, maar ook met ons dagelijkse leven. Het is deze ontwikkeling, die aan basis ligt van de groei van de elektronica, stelt TNO. En niet zozeer de groei in het aantal verbonden apparaten, zoals we tot niet zo heel lang geleden nog dachten. 

Datastromen

Drijvende kracht achter dit alles is AI. De alsmaar toenemende AI-workloads stuiten op de praktische grenzen van traditionele chip- en PCB-architecturen. Pijnpunt zit hem daarbij vooral in het verplaatsen van data; wat minder in de dataverwerking. “Zowel AI-training als -inferentie zorgen voor integratiedruk. Training legt de nadruk op opschaling met hoge bandbreedte en energie-efficiënte over grote clusters, terwijl inferentie in toenemende mate aanzet tot compacte integratie met lage latentie dicht bij sensoren, geheugen en edge-computing. In beide gevallen verschuift de belangrijkste beperking van rekenkracht naar gegevensverplaatsing, stroomvoorziening en thermisch beheer”, lezen we in het TNO-rapport.

“Naarmate koperen interconnects hun grenzen bereiken wat betreft bandbreedtedichtheid en energie-efficiëntie, met name over afstanden op printplaatniveau en bij connectoren, worden traditionele, op printplaten gebaseerde systeemarchitecturen steeds inefficiënter. Het probleem ligt niet bij de technische kwaliteit, maar bij een architectonische mismatch: PCB’s zijn nooit ontworpen voor de dichtheid van interconnects, stroomvoorziening en thermische koppeling die systemen op AI-schaal vereisen. Hoewel koper op korte afstanden effectief blijft, stijgen de energiekosten per bit sterk bij hogere datasnelheden, en neemt de signaalintegriteit af naarmate de afstanden en het aantal connectoren toenemen.

Elke extra PCB-laag of connector zorgt voor extra verlies, kosten en storingsrisico; nadelen die op grote schaal onoverkomelijk worden. Pogingen om dit te compenseren door steeds meer functionaliteit op één monolithische chip te integreren, hebben eveneens hun grenzen bereikt: grote chips bieden geen voordelen meer op het gebied van energie-efficiëntie, opbrengst, kosten, warmtebeheer of ontwerpcomplexiteit.”

Geïntegreerde systemen

Deze beperkingen zorgen ervoor dat er een verschuiving plaatsvindt van zowel printplaat-gerichte architecturen als monolithische integratie naar nieuwe benaderingen voor integratie op systeemniveau. Het rapport benoemt drie technologieën die deze transitie ondersteunen: geïntegreerde fotonica, advanced chip packaging en beyond-PCB-integratie.

“Naarmate datasnelheden toenemen en energiebudgetten krapper worden, worden optische interconnects steeds dichter bij de rekenkracht gebracht: van optica op printplaatniveau naar gezamenlijk verpakte optica en uiteindelijk opto-elektronische integratie op chipniveau. Optische interconnects verzenden veel meer data tegen aanzienlijk lagere energie per bit dan elektrische interconnects, vooral op systeemschaal.

Advanced chip packaging is nu de belangrijkste factor die heterogene integratie mogelijk maakt. Chiplets, gezamenlijk verpakte optische componenten, functionele integratie en 3D-integratie verplaatsen de waardecreatie van zowel de printplaat als de afzonderlijke chiplets naar het packagingniveau. In dit paradigma is de packaging het systeem, zowel elektrisch, optisch, thermisch als mechanisch. Prestaties, energie-efficiëntie, betrouwbaarheid en produceerbaarheid hangen in toenemende mate af van de integratiekwaliteit op dit niveau, wordt in het rapport toegelicht. Packaging wordt daarmee een strategische industriële capaciteit in plaats van een nabewerking, die hoge opbrengsten op schaal vereisen, nieuwe test- en meetmethoden voor heterogene systemen, en haalbare waardeketenmodellen die risico’s verdelen over ontwerp, productie, packaging en testen.

Beyond-PCB-integratie is uitgewerkt in twee trajecten. Bij het traject van integratie op printplaatniveau naar integratie op packageniveau (prestatiegericht) gaat het om het te kunnen dealen met de beperkingen op het gebied van data-overdracht, stroomvoorziening en warmtebeheer. Technologieën zoals 2,5D-interposers, 3D-stapeling, chiplets en gezamenlijk verpakte optica verplaatsen elektrische en optische interconnects naar compacte multichipassemblages die zijn geoptimaliseerd voor prestaties en energie-efficiëntie. In dit paradigma verdwijnt de printplaat niet, maar wordt haar rol beperkt: ze biedt voornamelijk mechanische ondersteuning, verbindingen met grofmazige interconnecties en stroomverdeling, terwijl het cruciale werk op het gebied van systeemintegratie plaatsvindt op packageniveau.”

Het traject van stijve printplaten naar dunne, flexibele en gedrukte elektronica (productgedreven) is relevant in toepassingen waar productintegratie, comfort, gewicht, vormfactor en duurzaamheid de systeemvereisten domineren. In tegenstelling tot prestatiegerichte integratie op packageniveau, legt dit traject de nadruk op produceerbaarheid op grote schaal, mechanische integratie en duurzaamheid.

Strategische prioriteiten

TNO stelt in het rapport dat Europa van deze ontwikkeling kan profiteren door zich te focussen op technologieën waarin het al een sterke positie heeft, zoals apparatuur voor geavanceerde packaging, geïntegreerde fotonica en metrologie voor heterogene systemen. Deze kunnen uitgroeien tot zogenaamde ‘control points’ in de waardeketen. Op die manier kan je wel degelijk een bepalende rol spelen in de mondiale elektronicasector zonder volledig zelfvoorzienend te zijn in de waardeketen en/of leidend te zijn in de productie van met name AI-chips. Ook Nederland kan daarvan profiteren, met name de technologieclusters in Eindhoven, Twente en de regio Arnhem/Nijmegen, die al een belangrijke rol spelen op het gebied van (onderzoek naar) fotonica en packagingtechnologie.

Daarbij is wel enige haast geboden. Tussen nu en 2028 zullen er volgens TNO grote stappen worden gezet in de technologie-ontwikkeling in deze sector. Om daarbij vooraan te staan is het zaak om keuzes te maken in de benodigde investeringen. Die zouden dan moeten plaatsvinden rond roadmaps voor concrete eindproducten, veeleisende markten (defensie, mobiliteit, AI-infrastructuur), ontwikkeling van pilot lijnen en high-tech megaclusters rond open foundries.