STW.nl

You are here

Te complex om te programmeren?

Project number 
12694
Project leader 

Dr.ir. J.P.M. Voeten
Technische Universiteit Eindhoven
Faculteit Electrical Engineering
Electronic Systems (ES)
Postbus 513
5600 MB  EINDHOVEN

Type project 
Lopend
Start date 
10 February 2017
End date 
4 April 2014
Program 
Robust design of cyber-physical systems (CPS)
Discipline 
Informatica
Een ongekende uitdaging komt langzaam maar zeker bovendrijven in de hightech industrie. De ingebouwde systemen waarop machines draaien worden zo complex dat ze niet meer met normaal mensenwerk te programmeren zijn. Onderzoek binnen het programma Robust Design of Cyber-Physical Systems moet leiden tot een oplossing.
 
In 1971 bracht een jong bedrijf genaamd Intel de 4004-chip op de markt, een plakje silicium waar de makers maar liefst 2300 transistoren op hadden weten te persen. 45 jaar later telt een doorsnee Intel-processor een miljoen maal zoveel transistoren, die bovendien 4000 keer sneller schakelen.
 
Het succesverhaal van de chip is een verhaal over miniaturisering. Transistoren moeten niet alleen zo klein mogelijk zijn om met z’n allen op een klein stukje silicium te passen, maar ook om razendsnel te kunnen schakelen zonder door te branden. De wedloop om meer computerkracht is dan ook een wedloop om almaar kleinere componenten.
 
Voorhoede
En Nederland speelt in de voorhoede mee. ASML in Veldhoven is wereldwijd de grootste fabrikant van de machines waarin chips concreet tot stand komen: zogenoemde wafer scanners. Een wafer is een schijf van zeer zuiver kristallijn silicium met een doorsnee van (meestal) 30 centimeter. In de scanner wordt op deze schijf, waar eerder een lichtgevoelige lak op is aangebracht, met een laser het patroon van een aantal identieke chips geprojecteerd. Na een chemische behandeling, staan deze patronen in het silicium geëtst. Deze lithografische procedure wordt enkele tientallen malen herhaald, waarna de wafer kan worden opgeknipt in de afzonderlijke chips zoals die in talloze apparaten te vinden zijn.
 
Kopzorgen
In theorie is dit een recht toe recht aan proces, te vergelijken met het maken van een etsplaat. Het probleem is uiteraard de schaal van de componenten. Een paar stofjes in de lak van de wafer, en je kunt microprocessoren van honderden euro’s per stuk weggooien. Andere kopzorgen zijn trillingen – bijvoorbeeld van langsrijdende auto’s – die de patroonoverdracht verstoren, en temperatuurschommelingen die de wafer vervormen tijdens de belichting. De nauwkeurigheid van de machine zelf is trouwens niet de minste uitdaging: wafers moeten zeer precies worden verplaatst, de lenzen die de lasers sturen, moeten uiterst precies staan afgesteld. De beweging van het ene onderdeel mag de beweging van een ander onderdeel niet verstoren.
 
En als al deze eisen eindelijk in een product gerealiseerd zijn, eist de markt een nieuwe machine waarin chips met nog kleinere componenten kunnen worden gemaakt. ‘Dat is nu eenmaal het gevolg van de Wet van Moore’, zegt Jeroen Voeten, verbonden aan de Electronic Systems Groep van de Technische Universiteit Eindhoven. 
 
Betrouwbaar, snel, precies
‘Wafer scanners zijn machines die uiterst nauwkeurig, heel snel en betrouwbaar moeten werken. Daarvoor is heel wat intelligentie nodig’, zegt Sven Weber, software-architect bij ASML. ‘Die intelligentie is verdeeld over een groot aantal ingebedde systemen die zich overal in de machine bevinden. Het zijn eigenlijk een soort verborgen computertjes, ieder toegerust voor een specifieke taak. En zo zit er een heleboel software in: vele miljoenen regels, verdeeld over vele processoren.’
 
In de modernste generatie scanners bedraagt de resolutie van het lithografische proces 14 nanometer – oftewel ongeveer 140 atomen. Dat levert extreem kleine componenten op, maar Intel streeft alweer naar een volgende verkleining – volgend jaar – tot 10 nanometer, en in de jaren daarna tot 7 en 5 nanometer. Elk van de transistoren zal dan uiteindelijk 4 miljoen keer minder ruimte innemen dan op de aanvankelijke Intel 4004-chip. ASML zet alle zeilen bij om de daartoe vereiste scanners te ontwikkelen.
 
Kranen en piramides 
Menselijke systeemarchitecten en programmeurs hebben steeds meer moeite om een dergelijke complexiteit te beheersen, en dat is zichtbaar in allerlei sectoren. ‘De complexiteit wordt zo groot dat er modelgebaseerde oplossingen nodig zijn om op een hoger abstractieniveau te kunnen redeneren’, zegt Voeten.
 
‘Anders gezegd werken wij aan de gereedschappen waardoor zij op efficiënte, betrouwbare en voorspelbare wijze een volgend product kunnen maken. ASML bouwt piramides, wij bouwen de kranen om steeds betere piramides te bouwen.’
 
Te complex voor handmatig schrijven
Een wafer scanner is een schoolvoorbeeld van een ‘cyberfysisch systeem’, aldus Voeten. Dat zijn systemen die fysische aspecten combineren met intelligentie. ‘Zeg maar net zoals in de mens de handen en voeten worden aangestuurd door de hersenen. Wij concentreren ons op het ontwikkelen van die hersenen: de ingebedde systemen. Wij maken die niet zelf, maar ontwikkelen methoden en gereedschappen om ze sneller en betrouwbaarder te ontwerpen en te realiseren.’
 
De traditionele manier van software ontwerpen, is het handmatig schrijven van software-code om deze vervolgens met de hand te verdelen over de processoren. We zijn echter het tijdperk binnengetreden dat systemen daar te complex voor worden. ‘Wij beginnen daarom met wiskundige modellen’, zegt Voeten. ‘We werken aan technieken die de betrouwbaarheid van zulke modellen kunnen analyseren, en prestatieafwegingen kunnen maken tussen bijvoorbeeld snelheid en precisie. Als dat is gebeurd, generen we automatisch de implementatie.’ 
 
Voeten beaamt dat het een heel abstracte manier van software schrijven betreft. ‘De implementatie wordt niet meer met de hand gemaakt. Dat hoeft niet, want als het model correct is, is ook de implementatie correct. De basis van ons project is dat we op modelniveau precies weten wat we maken. We weten dus dat het gaat werken. Vergelijk het met een 3D-printer: ik doe daar een model in van wat ik wil hebben, en ik ben er vervolgens niet verbaasd over dat de printer het voor mij maakt.’
 
Oplossing voor alle industrieën
De reden dat dit onderzoek opgenomen is in het STW-programma Robust Design of Cyber-Physical Systems (CPS) is dat het veel breder toepasbaar is dan de ontwikkeling van nieuwe lithografische processen. Voeten: ‘Alle industrieën lopen tegenwoordig met hetzelfde vraagstuk rond: hoe ontwerpen wij op efficiënte, betrouwbare en voorspelbare wijze dit soort complexe ingebedde systemen?
 
Wij ontwikkelen een generieke oplossing voor alle industrieën. Denk aan de chemie, maar ook aan medische imaging en automotive. Meer dan 40 procent van de innovaties in de auto-industrie komt daar tegenwoordig uit software en ingebedde systemen.’
 
Voeten prijst de rollen van TNO-ESI en ASML Software Research & Innovatie in het programma. ‘Via deze groepen fungeert ons project als een schakel waaraan het werk van andere groepen kan aanhaken. Het is nooit eerder goed gelukt om een samenwerkingsverband zo op te zetten dat de resultaten rechtstreeks kunnen landen in de industrie.’
 
=====
Cyberfysische systemen in negen velden
Het onderzoek van dr.ir. Jeroen Voeten maakt deel uit van het door STW gefinancierde onderzoeksprogramma Robust Design of Cyber-Physical Systems (CPS). Het programma bestaat uit negen onderzoeksprojecten. De projecten richten zich op onderzoek naar cyberfysische systemen in de volgende werkvelden: lithografie (uitgelicht in dit artikel), professional printing, medische imaging, microscopie en ICT/server farms.
 
Het totale budget van dit programma bedraagt ruim 8 miljoen euro, waarvan ruim 3 miljoen euro afkomstig van de bedrijven Alliander, ASML, TNO-ESI, Controllab Products, Demcon, NXP, Océ, PANalytical, Recore Systems, TASS, Technolution, ICT en Target Holding.
 
=====
Tekst: Ed Croonenberg
 
Dit artikel is eerder verschenen in Impact, het relatiemagazine van STW. Het volledige magazine is beschikbaar als pdf-bestand. Liever een gedrukt exemplaar? Stuur dan een e-mail naar redactie@stw.nl
 
Contact person