Fotonica: geboorte van een nieuwe Nederlandse techreus

Tel de sjoelstenen en je weet hoe het ervoor staat in de fotonica-industrie. In de gang van chipfabrikant Smart Photonics in Eindhoven hangt een doorzichtige buis vol sjoelstenen. Het blijkt een telraam: elke steen staat voor één wafer – een ronde plaat waarop laag voor laag chips worden opgebouwd – die aan een klant werd geleverd.

Dat je het aantal wafers nog in stapels sjoelstenen kunt bijhouden – het exacte getal moet uit concurrentieoverwegingen achterwege blijven – geeft aan dat de industrie nog in de kinderschoenen staat. Zeker in vergelijking met de 1,15 biljoen (1.150 miljard) chips die de reguliere chipindustrie jaarlijks maakt – de gezamenlijke productie van megabedrijven als Intel, Samsung, TSMC en Micron, in hun megafabrieken met hun megadure machines.

„Staar je niet blind op die sjoelstenen”, zegt Smart Photonics-directeur Johan Feenstra. „We maken hier vijfhonderd wafers per jaar, maar het merendeel wordt nog gebruikt voor tests en onderzoek. Sinds deze zomer hebben we de mogelijkheid om vijfduizend wafers per jaar te maken – met gangbare chipapparatuur.”

Fotonische chips, die laserlicht kunnen bewerken en doorgeven, zijn zuiniger dan gewone computerchips met koperen draadjes. De techniek is al geruime tijd in ontwikkeling, maar tot nu toe kwam de vinding niet veel verder dan het laboratorium.

Al staat de wereldwijde fotonicamarkt nog in de kinderschoenen, Nederland heeft grote ambities. Dit jaar kreeg het samenwerkingsverband van Nederlandse fotonicabedrijven PhotonDelta een publieke en private investering van 1,1 miljard, waarvan 470 miljoen euro toegezegd uit het Nationaal Groeifonds. De opdracht: creëer een netwerk van honderden bedrijven en chipontwerpers en breid voor 2030 uit naar 100.000 wafers per jaar, met klanten over de hele wereld.

De chipfabriek van Smart Photonics rekent op 75 miljoen euro uit die pot. Daarnaast wil het ministerie van Economische Zaken en Klimaat nog eens tientallen miljoenen staatssteun aan Smart Photonics verstrekken. Dat gaat via een Europees stimuleringsprogramma, IPCEI genaamd (Important Project of Common European Interest).

Het exacte bedrag wordt duidelijk als Brussel de definitieve toestemming geeft. Daarvoor moet Feenstra zich nog door een berg papierwerk worstelen. Niet zijn grootste hobby, erkent hij, maar hij heeft het er graag voor over. Het Nationaal Groeifonds en IPCEI zijn stempels van vertrouwen in de ontluikende Nederlandse fotonica-industrie en helpen om nieuwe klanten en nieuw talent aan te trekken. Het aantal medewerkers van Smart Photonics groeide in twee jaar tijd van 70 naar zo’n 130.

Zoals chipmachinefabrikant ASML in de jaren tachtig met wat hulp van de overheid tot een techreus kon uitgroeien, lijkt de fotonicawereld nu dankzij staatssteun en stimuleringsprogramma’s aan de vooravond te staan van een economische bloeiperiode. Wat is er nog meer nodig om een nieuwe techreus te bouwen?

1 Van lab naar massamarkt

Fotonische chips maken gebruik van licht – fotonen – om informatie over te dragen. Dat is energiezuiniger dan de bestaande methode van dataoverdracht, via koperdraadjes. Snel informatie versturen via koper is begrensd. Dat merk je op de lange afstand (denk aan glasvezelkabels die sneller internet bieden dan koperkabels) maar het geldt ook voor de ultrakorte afstand, binnen in een chip.

Jan-Laurens van der Steen, van onderzoeksinstituut TNO: „Fotonica is een sleuteltechnologie die al lang in ontwikkeling is, en in principe te gebruiken voor allerlei toepassingen. Er is veel in concept aangetoond, we moeten het nu laten zien in de echte wereld.”

De meest gebruikte commerciële toepassing tot nu toe: grote datacenters gebruiken apparatuur met fotonische chips om op hun stroomrekening te besparen. De telecomsector is ook geïnteresseerd; zo werkt VodafoneZiggo samen met de Eindhovense chipontwerper Effect Photonics om het mobiele netwerk zuiniger te laten werken.

Een toepassing voor de nabije toekomst is ‘lidar’, een instrument dat met een laserstraal afstanden meet en snelheden van objecten berekent. Deze techniek is onmisbaar om auto’s autonoom te laten rijden. Een lidar van fotonische chips is kleiner en goedkoper – dat is interessant voor de auto-industrie.

En nog een toepassing in de categorie toekomstmuziek: fotonische chips voor quantumcomputers – superkrachtige computers waaraan nog driftig wordt gesleuteld.

Lees ook: Bijt de ‘klassieke’ computer nu definitief in het stof?

2 Eén standaard graag

Als Nederland jaarlijks 100.000 wafers met fotonische chips wil produceren, is een massamarkt nodig. Dat kan alleen met standaardisering. Dat is de les van de ‘gewone’ computerchips (processors die voor rekenkracht zorgen, geheugenchips die data opslaan). De chipindustrie werd groot dankzij uniforme productiemethoden, materialen en ontwerpmiddelen. Zo werden chips goedkoper en vind je ze nu in alle denkbare toepassingen – van smartwatch tot wasmachine.

Voor fotonische chips is zo’n standaard er nog niet. Wel zijn er veel moeilijke woorden voor drie verschillende smaken: halfgeleiders gemaakt van indiumfosfide kunnen als enige zelf licht creëren (onmisbaar), siliciumfotonicachips worden gemaakt van materialen uit de gewone chipwereld (handig), en de derde variant is siliciumnitride (weinig verlies van licht – belangrijk voor quantumcomputers).

In het Belgische Leuven, bij onderzoeksinstituut imec, wordt geëxperimenteerd met siliciumfotonica, de Universiteit Twente is ver met siliciumnitride en bij Smart Photonics produceren ze de indiumfosfide-variant. Je kunt met die techniek wat complexere chips maken, die in theorie sneller zijn dan siliciumfotonica. Maar, aldus Van der Steen van TNO, „het blijft wel een beetje koffiedik kijken”.

Naast de drie hoofdsmaken zijn er nog tientallen subvarianten, verzucht Kathleen Philips, directeur van de Nederlandse tak van onderzoeksinstituut imec. „De fotonicasector moet naar one size fits all. Als je als chipontwikkelaar moet kiezen uit meer dan tien opties, dan wacht je liever even.

„We hebben de neiging de beste technologie te nemen, maar dat hoeft niet. Er is techniek nodig die breed inzetbaar is en door een heel ecosysteem gedragen wordt. Of je nou een lidar of een datamodule maakt – dan weet je tenminste dat je over vijf jaar nog dezelfde technologie kunt gebruiken. Of dat je de chip ook door iemand anders kan laten maken, als je van toeleverancier wilt wisselen.”

3 Een nieuw verdienmodel

In de wereld van elektronische chips heeft TSMC uit Taiwan momenteel de grootste fabrieken en de beste productietechniek. Smart Photonics in Eindhoven wil net zo’n foundry worden, een chipfabriek die andermans ontwerpen produceert – goedkoper en beter dan concurrenten dat kunnen.

Innovatie van processors en geheugenchips is gebaseerd op schaalverkleining. Elke nieuwe generatie bevat nog meer transistoren en meer functies op hetzelfde oppervlak, totdat er uiteindelijk een volledig computersysteem op één chipje past. De technologie wordt verhoudingsgewijs goedkoper, biedt meer rekenkracht en komt ter beschikking van een grotere groep afnemers. Zo groeit de afzet.

Fotonicastart-ups schieten als paddenstoelen uit de grond, overal ter wereld. Maar Nederland staat er sterk voor

Jan-Laurens van der Steen TNO

Die schaalverkleining speelt bij fotonica minder een rol. De innovatie schuilt in combineren en assembleren van de losse elementen: een fotonische chip heeft ook een computertje nodig voor de aansturing, en met nog een zender en ontvanger erbij kom je op vier of vijf losse delen. „Koppelen van de chips tot één verpakking moet je goedkoper kunnen dan de concurrentie”, aldus Philips. Daarom is het belangrijk dat Nederland niet alleen een chipfabriek heeft, maar ook gespecialiseerde bedrijven die zich op assemblage en chipontwerp richten.

Jan-Laurens van der Steen van TNO: „Uiteindelijk zul je altijd verschillende soorten fotonische chips met elkaar en met elektronische chips moeten combineren. Die techniek is nu nog te kostbaar en niet geschikt voor massaproductie. Dat is de bottleneck die we proberen te verwijderen.”

4 De juiste geopolitieke wind

De bestaande chipindustrie is een wereldmarkt waarin jaarlijks bijna 600 miljard dollar (zo’n 586 miljard euro) omgaat, met Azië als belangrijkste productieschuur. Door het aanhoudende chiptekort en de geopolitieke spanningen tussen China en de VS wil ook het Westen de eigen chipproductie opkrikken. Een volledige ontkoppeling van China is lastig en economisch onhaalbaar, minder afhankelijkheid is wel een haalbaar streven. Ook voor de prille fotonica-industrie geldt dat niet alles weer uit Azië kan komen.

Elke regio, zoals Silicon Valley in de VS, China en Taiwan, ontwikkelt eigen fotonicaproductie. Van der Steen: „Fotonicastart-ups schieten als paddenstoelen uit de grond, overal ter wereld. Maar Nederland staat er sterk voor, het onderzoek in Eindhoven en Twente staat hoog aangeschreven.”

Smart Photonics investeerde om te kunnen produceren op gangbare chipmachines – dan is het makkelijker om op te schalen. „We willen hier de capaciteit eerder op orde hebben dan onze concurrentie. Nederland moet het first-mover advantage houden”, zegt algemeen directeur Johan Feenstra.

Dat besef is ook doorgedrongen tot het ministerie van Economische Zaken. In 2020 investeerde EZ 20 miljoen euro in Smart Photonics. Het was een noodgreep om te voorkomen dat een geïnteresseerde Chinese investeerder een belang in het bedrijf zou nemen en zo met Nederlandse technologie aan de haal kon gaan.

5 Verdergaand industriebeleid

Begin mei schoof Smart Photonics aan voor een rondetafelgesprek bij het ministerie van Economische Zaken. Directeur Johan Feenstra – die de wafers nog telt in sjoelstenen – keek om zich heen en zag dat hij zich in het gezelschap bevond van megabedrijven als Intel, NXP, Infineon (Duitsland) en ASML.

Dat geeft aan hoe serieus het ministerie de fotonicasector neemt. Historicus Jorijn van Duijn, die onderzoek deed naar de geschiedenis van de Nederlandse chipmachinefabrikant ASM International, ziet een parallel met het innovatiebeleid in de jaren tachtig. Philips ontwikkelde destijds een lithografiemachine (die patronen van chips projecteert voor de productie van halfgeleiders) voor de eigen chipfabrieken, maar wist geen externe afzetmarkt te vinden. Na veel druk van Economische Zaken besloot Philips met ASM International in zee te gaan; dat leidde tot de oprichting van de joint venture ASML. Nu is dat een bedrijf met 35.000 werknemers en een verwachte jaaromzet van 20 miljard euro.

Van Duijn: „Met ASML zette Economische Zaken, net als nu bij Smart Photonics, vol in op vernieuwende technologie bij een opstartende onderneming met een onzekere toekomst. Het was een nieuwe koers na de RSV-affaire, het scheepsbouwbedrijf dat failliet ging ondanks miljarden aan staatsteun.”

In de beginjaren kwam soms de helft van ons onderzoeksgeld uit Den Haag en Brussel

Frits van Hout oud-directielid ASML

De oprichting alleen was niet genoeg om ASML een kans te geven, zegt Frits van Hout, voormalig directielid van ASML en medewerker van het eerste uur. „In de beginjaren kwam soms de helft van ons onderzoeksgeld uit Den Haag en Brussel.” Eind jaren tachtig moest ASML veel investeren in lithografiemachines die met laserlicht werkten en een andere maat wafer aankonden. De financiële steun hielp het bedrijf door een cruciale fase, een periode dat het slecht ging in de chipindustrie en ASM International zich terugtrok wegens geldgebrek. „Zonder die steun was ASML er nu waarschijnlijk niet meer geweest”, zegt Frits van Hout. „Daarom is de IPCEI-hulp voor Smart Photonics belangrijk: vaak is Nederlands industriebeleid gericht op innovatie, maar het gaat ook om de opschaling naar meer capaciteit.”

Tegenwoordig is Van Hout commissaris bij Smart Photonics. „Ik herken bij hen diezelfde mix van kennis en naïviteit die we in het begin bij ASML hadden. Je hebt niet alleen een technologische voorsprong nodig; het vergt ook een paar mensen met lef, die niet te veel oog hebben voor de risico’s. Als je niet weet waarvoor je bang moet zijn, dan ben je niet bang.”

Lees ook: Interview met oud-ASML-directeur Wim Troost: ‘Ze zeiden: Wim, houd toch op geld te verdonderen’