Imec Magazine Editie maart 2017

Transcriptie

1 Imec Magazine Editie maart /41

2 MAART 2017 EDITIE Voorwoord maart 2017 Software en hardware om auto-elektronica weer veilig te maken De 5 highlights van februari Fotonica op chip laat dokters dromen Oplossing met EUVlithografie voor het patroneren van back-end-of- Slimme apps voor slimme steden Nieuwe plastic chip in de maak die communiceert met touchscreens ESA lanceert innovatieve communicatiesatelliet met DARE-enabled chips aan Ava & Trix: het digitale klasspel dat kinderen de leuke kant van wetenschap 2/41

3 Editie maart 2017 General, Smart Health, Semiconductor technology & processing Voorwoord maart 2017 Elke maand blikt onze CEO terug op gebeurtenissen uit zijn (professionele) leven en beschrijft enkele van de onderwerpen die die maand aan bod komen in imec magazine. Chips, anders bekeken Tweemaal per jaar breng ik een bezoek aan onze partners in de VS om onze onderzoekssamenwerking te bespreken in het domein van computer- en geheugenchips. Ik had er interessante discussies over de uitdagingen waar ze voor staan en over de nieuwe resultaten die wij in Leuven, samen met hun onderzoekers, behaald hebben. Over een van die resultaten lees je verder in dit magazine. Het gaat over een complete oplossing die we ontwikkelden, samen met onze partners, om de fijnste structuren van de back-end-of-line van toekomstige chips te maken op basis van EUV-lithografie. Zowel resistmaterialen, ontwerptechnieken, maskers en etsprocessen werden geoptimaliseerd waardoor het proces nu klaar is voor de industrie. Onze nieuwe website kwam ook toevallig ter sprake tijdens mijn bezoek aan de chipbedrijven. We tonen er mooie voorbeelden van slimme toepassingen waar we aan werken: een sensorpleister voor zwangere vrouwen, zelfrijdende wagens enz. In dit magazine lees je ook meer over een smart health platform dat chips met licht gebruikt om moleculen te detecteren. We noemen het biofotonica en het zal dokters en ziekenhuizen helpen om patiënten beter op te volgen. Maar nu heel wat aandacht gaat naar slimme toepassingen komt natuurlijk de vraag: wordt chiptechnologie minder belangrijk voor imec? Zeer zeker niet! Chiptechnologie ligt immers aan de basis van al deze innovaties en nieuwe ontwikkelingen zijn nodig om o.a. de enorme rekenkracht en geheugencapaciteit te leveren voor servers en supercomputers. Deze hebben we nodig om met alle data om te gaan die onze geconnecteerde wereld genereert. Bovendien moeten we ook de chipsystemen zelf verder ontwikkelen om nieuwe slimme toepassingen mogelijk te maken, waarbij verschillende technologieën samen met het systeem geoptimaliseerd moeten worden. Iedere toepassing heeft daarbij haar specifieke noden, denk maar aan de 3/41

4 omstandigheden waarin chipsystemen voor zelfrijdende auto s moeten opereren, of de ultra-laag vermogen specificaties voor een implanteerbare chip. Ik heb de voorbije maand op een conferentie in Korea een lezing over dit onderwerp gegeven. Hoe de Wet van Moore en de evolutie in chiptechnologie ons gebracht hebben waar we vandaag staan en waarom ze essentieel zijn in het tijdperk van het Internet der Dingen, het tijdperk van de slimme toepassingen. We zullen de Wet van Moore verderzetten, waarbij we technologie niet alleen op de traditionele manier zullen schalen maar ook nieuwe manieren zullen ontwikkelen om extra complexiteit in chips te kunnen integreren. Na een drukke maand in de VS en Azië zoek ik rustigere oorden op: de Zwitserse Alpen. Elk jaar ga ik daar met mijn gezin skiën. En ook al zijn mijn twee kinderen al volwassen, toch vinden we het nog steeds belangrijk om dit samen te doen met ons gezin. Maar je hoeft niet altijd op vakantie te gaan om met het gezin wat quality time te creëren. Het kan ook met een spel van Cartamundi. In het artikel verder in dit magazine lees ik dat het helemaal terug in is om gezelschaps- en kaartspellen te spelen. En met imectechnologie erin krijgen we ook de smartphone-generatie mee! Luc Van den hove, Algemeen directeur en CEO imec 4/41

5 Editie maart 2017 De 5 highlights van februari Het leven is zo druk! Dus misschien heb je niet de tijd om al de interessante artikels te lezen die we voor jou schreven in dit magazine. Op deze pagina vind je een kort overzicht van wat imec de voorbije maand realiseerde. Imec ontwikkelt eerste volledige oplossing voor gebruik van EUV-lithografie in massaproductie Imec en zijn partners toonden op de SPIE-conferentie een patterning oplossing voor een 42nm-pitch M1- laag en een 32nm-pitch M2-laag in een logic design dat compatibel is met de foundry N5 vereisten. The approach includes two scenarios for EUVL insertion that, when combined with an array of scaling boosters, serve as a basis of the industry requirements for power, performance, area and cost. Including proposals for design rules, masks, photoresists, etching, and metrology and an extensive process variation assessment, imec s R&D has thus established the first comprehensive solution for EUVL enablement in high-volume manufacturing. Vijf nieuwe Vlaamse start-ups bij imec.istart incubatieprogramma Tijdens het laatste kwartaal van 2016 kwamen vijf nieuwe startups aan boord van het imec.istart incubatieprogramma. De nieuwkomers zijn actief in verschillende sectoren, gaande van bouw (BuildEye), transport (BusOnline.eu), gaming (FanArena), diensten voor bedrijven (KnowledgeFlow) tot virtual reality (Yondr). De komende 6 tot 18 maanden zullen de vijf bedrijven kunnen rekenen op imecs financiele steun, professionele coaching en toegang tot verschillende co-working plaatsen, om zo hun startup een 5/41

6 extra boost te geven. Voor meer informatie over het imec.istart incubatieprogramma kan je terecht op deze website. BuildEye: verbindt bouwprofessionals en architecten in één app BusOnline.eu: eenvoudiger je busrit boeken FanArena: je droomvoetbalteam samenstellen en beheren KnowledgeFlow: kennis binnen je bedrijf eenvoudig ontsluiten en delen Yondr: jouw virtuele reisplatform Vlaamse Regering en onderzoeksinstelling imec zetten extra in op lokale innovatie Het nieuwe vijfjarige convenant tussen de Vlaamse Regering en imec zet volop in op de lokale én internationale voortrekkersrol van het gereputeerde onderzoekscentrum. Concreet wordt de jaarlijkse dotatie van imec opgetrokken tot 108 miljoen euro. Enerzijds wordt er extra geïnvesteerd in imec s langetermijnonderzoek zodat het zijn positie kan consolideren als s werelds belangrijkste onderzoekscentrum voor nano-elektronica en digitale technologie. Zo legt imec dag in dag uit de basis voor een betere toekomst in domeinen zoals slimme gezondheidszorg, slimme steden, mobiliteit, energie en Industrie 4.0. Lees meer in dit persbericht. De inschrijvingen voor ITF Belgium gaan van start ITF Belgium is de flagship editie van een reeks Imec Technology Forums die over heel de wereld georganiseerd worden. Elk jaar komen tijdens dit tweedaags evenement experten van over heel de wereld samen om over de toekomst van technologie te praten, en hoe technologische innovaties naar de markt kunnen gebracht worden. Dit jaar is het thema Nano-Bytes Creating Magic een unieke fusie tussen de fascinerende werelden van nano-elektronica en digitale technologieën, zoals ook de merger tussen imec en iminds. Enkele van de keynote sprekers zijn Kinam Kim (Samsung Electronics), Dieter May (BMW), Matt Grob (Qualcomm Technologies) & Peter Lee (Microsoft Research). Meer info vind je terug op de ITF-website. Imec, Holst Centre & ROHM stellen unieke oplossing voor op het vlak van ultralaagvermogen radios voor het Internet der Dingen Op de 2017 ISSCC-conferentie in San Francisco, stelden imec, Holst Centre en ROHM een volledig digitale phase-locked loop (ADPLL) voor voor Internet-of-Things (IoT) radios. Een PLL is normaal een van de grootste energieverbruikers in een radio en neemt vaak wel 30% in van de radio-oppervlakte. Deze nieuwe ADPLL echter is zeer klein (0.18mm² in 40nm CMOS), verbruikt weinig (0.67mW) en presteert zeer goed. > Lees hierover meer in dit persbericht. 6/41

7 Editie maart 2017 Smart Mobility, Smart Cities Software en hardware om autoelektronica weer veilig te maken In moderne voertuigen zit een uitgebreid netwerk van controleprocessoren. In moderne voertuigen zit een uitgebreid netwerk van controleprocessoren. Die interpreteren informatie van sensoren en sturen actuatoren aan. Hoe een auto zich in bepaalde omstandigheden gedraagt, welke veiligheidsfuncties in actie komen, het wordt allemaal geregeld door deze processoren. Ze ondersteunen rem- en stuurmanoeuvres, bedienen de lichten, blazen de airbags op, optimaliseren het motorvermogen, enz. Pas sinds kort staan deze netwerken ook met de buitenwereld in contact. Maar daardoor worden ze kwetsbaar voor hackers, terwijl aan de beveiliging nog een en ander schort. Jan Tobias Mühlberg is onderzoeksmanager bij imec DistriNet KU Leuven. Hij legt uit hoe onderzoekers bij imec deze uitdaging aangaan. Zij ontwikkelden een nieuwe beveiligingsarchitectuur voor genetwerkte ingebedde apparaten en stemden die zorgvuldig af op de hedendaagse eisen. Hun gebruiksklare oplossing beveiligt niet alleen slimme voertuigen, maar ook andere kritische infrastructuur, zoals medische toestellen, slimme gebouwen of elektriciteitsnetwerken. Eilandjes van slimme elektronica De complexe industriële machines van vandaag worden aangestuurd door elektronicanetwerken van sensoren, actuatoren en controleprocessoren die voortdurend informatie uitwisselen, zegt Mühlberg. In bijvoorbeeld auto s speelt deze interactie zich af rond de zogeheten CAN-bus (Controller Area Network), een van oorsprong gesloten en bedraad netwerk dat moeilijk te kraken was voor indringers. De CAN-specificaties werden zo n 30 jaar geleden ontwikkeld. Voordien functioneerden voertuigen vrijwel volledig mechanisch. CAN werd ontworpen als standalone netwerk en die taak vervult het nog altijd perfect. Meer nog, vandaag zijn CAN-netwerken belangrijker dan ooit: er komen steeds meer heterogene sensoren en controleprocessoren in voertuigen die via de CAN-bus betrouwbaar en snel informatie versturen en ontvangen, zonder dat er een centrale computer aanwezig is. De CAN-bus verbindt bijvoorbeeld de rotatiesensoren in de wielen met het ABS-remsysteem en met de aandrijving. 7/41

8 Jan Tobias Mühlberg: Je vindt vergelijkbare netwerken in de meeste industriële controlesystemen en gerobotiseerde assemblagelijnen. Ze werden stuk voor stuk zorgvuldig ontworpen en getest om met alle mogelijke uitzonderingstoestanden en fouten rekening te houden, waardoor ze heel veilig waren. Maar daar komt nu verandering in Venster op de wereld Moderne auto s en zeker topmodellen hebben allerlei infotainment- en navigatiesystemen aan boord die zowel met het CAN-netwerk als met de buitenwereld verbonden zijn. Via de verbinding met de CANsensoren is het zo mogelijk om zo de muziek automatisch luider af te spelen als je sneller of op een slecht wegdek rijdt. En via de buitenwereld ontvang je informatie over het verkeer, binnenkomende telefoons, en software-updates. Zelfrijdende auto s zullen nog verder gaan: ze communiceren met elkaar en de weginfrastructuur om zich veilig door het verkeer te bewegen. Dat alles betekent dat indringers nu plots wel over toegangen beschikken om het CAN-netwerk over te nemen. Alle communicatie met de buitenwereld gaat via Bluetooth of IP-netwerken die vaak met het internet zijn verbonden. En het internet is natuurlijk een hoogst onbetrouwbaar netwerk, zegt Mühlberg. De hardware en software van de CAN-bus zijn helemaal niet ontworpen om in zo n onveilige omgeving te functioneren. Authenticatie en autorisatie ontbreken bijvoorbeeld. Als het remsysteem van een auto een syntactisch correct CAN-bericht ontvangt, dan gaan de remmen er gewoon vanuit dat het bericht legitiem is en van een vertrouwde bron komt en niet van ergens anders. Bovendien hebben de ontwerpers ervoor gezorgd dat CAN-processoren heel klein zijn, goedkoop en zo energiezuinig mogelijk. Ze zijn afgestemd op de taken die ze moeten uitvoeren, met lichte besturingssystemen en specifieke communicatie- en controletoepassingen. Maar in vergelijking met de processoren in een laptop of smartphone hebben ze geen beveiligd geheugen of een geïsoleerde sandbox om processen in te draaien. Elke app die een CAN-processor aanspreekt, ook al hoort die daar niet thuis, heeft toegang tot het hele processorgeheugen en kan het overschrijven. Welke risico s levert dit op? Mühlberg: Onderzoekers hebben onlangs laten zien dat ze op afstand de besturing van een auto kunnen overnemen via de wifi- of Bluetooth-gateway. In Oekraïne is gebleken dat elektriciteitsnetwerken te hacken zijn, met mogelijk dramatische gevolgen. En onderzoekers bij imec COSIC KU Leuven hebben aangetoond dat ze zelfs pacemakers kunnen binnenkomen, waarbij het mogelijk is om die toestelletjes af te luisteren en zelfs potentieel fatale commando s te geven. Al betekent dit niet noodzakelijk dat dergelijke aanvallen gemakkelijk zijn. Een hacker moet heel slim, geraffineerd en geduldig te werk gaan. Maar omdat het aantal apparaten of voertuigen bijvoorbeeld elektronisch identieke auto s zo groot is, kan een hacker die erin slaagt om zich tot één zo n systeem toegang te verschaffen een bedreiging vormen voor de veiligheid van heel veel identieke systemen. Dataverwerking in geïsoleerde, veilige zones In tegenstelling tot de duurdere processoren in bijvoorbeeld laptops en smartphones zijn controllerchips klein en beperkt in capaciteit. Ze beschikken niet over de beveiliging die standaard in andere processoren zit ingebouwd, zoals privilegeniveaus en geheugensegmentering. Maar het is onmogelijk om alle ingebedde processoren door high-end systemen te vervangen, omdat die voor deze toepassingen te duur en te complex zijn en te veel energie vragen. Daarom stelden wij ons tot doel om helemaal vanaf nul een veilige architectuur te ontwerpen, zegt Jan Tobias Mühlberg. Een architectuur die geschikt is om de ingebedde systemen van nu te beveiligen, zoals CAN-netwerken in auto s, controlesystemen voor industriële productie of kleine IoT-componenten. Daarbij moeten we rekening houden met de vereisten van de industrie dat dergelijk systemen klein, goedkoop en uiterst zuinig moeten blijven. 8/41

9 De onderzoekers vertrokken van een kleine microcontroller, representatief voor diegene die in auto s worden gebruikt en breidden het ontwerp ervan uit. Ze voegden er naast veilig geheugenbeheer ook een encryptie-eenheid aan toe die is geoptimaliseerd voor een laag stroomverbruik. Het resultaat is een processor die niet veel groter is dan de huidige en maar weinig extra energie vraagt (ongeveer 6%). Die processor is in staat om belangrijke software in een veilige zone te isoleren zodat die niet kan worden aangevallen. Bovendien zal de software enkel vertrouwen stellen in de hardware waar hij gebruik van maakt. Externe processen, maar zelfs software die op dezelfde processor draait, kan zo de beveiliging niet omzeilen om bv de runtime-toestand van het proces te lezen of te overschrijven. Weten wie je kunt vertrouwen Maar zelfs als de processor die de remmen van je auto bedient niet langer te hacken is, dan luistert hij misschien wel nog naar een commando uit een kwaadwillige bron, geeft Mühlberg toe. Daarom hebben wij de vertrouwde berichtenbronnen beperkt tot bronnen die zichzelf als legitiem kunnen authentificeren. Een remcommando mag dus alleen maar van een vertrouwde processor komen die zelf niet kan worden gehackt, en van een geauthentificeerd stuk software op die processor. Het CAN-netwerk van een auto bestaat op die manier uit vele kleine, niet te hacken applicaties die elkaar wederzijds authentificeren en vertrouwen. Maar stel nu dat een ingebed systeem toch informatie met de buitenwereld moet uitwisselen, bijvoorbeeld met een softwareleverancier voor de installatie van updates of met de verkeersinfrastructuur? Voor die gevallen hebben de imec-specialisten veilige communicatie en attestering op afstand ingebouwd. Een externe partij kan dus berichten uitwisselen met een specifieke softwaremodule op een specifieke node, als het vaststaat dat het de correcte module is (authenticiteit), dat die niet werd gewijzigd (integriteit) en dat de status ervan correct is. Demo op ITF Belgium en verdere stappen Sancus, zoals de oplossing heet, is een beveiligingsarchitectuur voor schaalbaar-genetwerkte ingebedde systemen die voor geheugenbeveiliging, attestering op afstand, sterkte integriteit en authenticiteitsgaranties zorgt. Het systeem bestaat uit de uitgebreide microprocessor, specifieke software die in veilige zones draait en een C-compiler die beveiligde Sancus-code genereert. Het Sancus-project is nog niet afgesloten: de onderzoekers van de imec-groepen DistriNet KU Leuven en COSIC KU Leuven willen nog enkele moeilijkheden uit de weg ruimen. Eén ervan is ervoor zorgen dat het netwerk altijd beschikbaar is en in real time functioneert. Wij kunnen met onze innovatie garanderen dat alle berichten die in de module aankomen legitiem zijn, zegt Mühlberg. Maar wij kunnen nog niet garanderen dat ze zullen aankomen. Een hacker zou nog altijd berichten kunnen tegenhouden. Dat levert normaal geen gevaarlijke situaties op, want de node zal dit detecteren en het systeem op een veilige manier tot stilstand brengen. Maar het blijft wel vervelend. Een andere vraag: hoe garandeer je 100% dat de softwaremodules geen interne fouten bevatten? Zonder een formele ontwerpmethodologie en inherent veilige programmeertalen kan dat niet en kunnen er altijd nog onveilige situaties ontstaan. Maar omdat de onderzoekers erin geslaagd zijn de modules klein te houden en isoleren, moet het ook doenbaar zijn om ze op een meer formele, foutenvrije manier te ontwerpen. Het team van Mühlberg wil graag samenwerken met partners om hardware- en softwareoplossingen te ontwikkelen die aan hun behoeften zijn aangepast. Wij zullen een Sancus-demo houden op het Imec Technology Forum in Antwerpen (ITF Belgium, May 16-17), hetzij in een autotoepassing, hetzij in een oplossing voor slimme energiemeters, want ook daarvoor heb je beveiligde ingebedde processoren nodig. Voor geïnteresseerde bedrijven is dit een buitenkans om alle technische details met ons te bespreken. Dit 9/41

10 onderwerp wint immers snel aan belang nu slimme zelfrijdende auto s met de omgeving beginnen te communiceren. Beschikbaarheid en dank Voor de verifieerbaarheid en reproduceerbaarheid van de Sancus-resultaten werden het hardwareontwerp en de software van het prototype openbaar gemaakt. Zowel het hardwareontwerp als de bronbestanden, binaire pakketten en documentatie zijn hier te raadplegen. Sancus werd ontwikkeld door imec DistriNet KU Leuven en imec COSIC KU Leuven, twee onderzoeksgroepen die een wereldfaam hebben opgebouwd met hun werk rond beveiliging. De ontwikkeling werd gedeeltelijk gesteund door het University Research Office van het Intel Lab, het onderzoeksfonds van de KU Leuven, het EU FP7-project NESSoS en het Belgian Cybercrime Centre of Excellence (B-CCENTRE). Biografie Jan Tobias Mühlberg Jan Tobias Mühlberg is onderzoeksmanager bij imec DistriNet KU Leuven. Voordien deed hij onderzoek aan de universiteit van Bamberg (Duitsland, tot 2011), behaalde hij zijn doctoraat aan de University of York (UK, 2010) en werkte hij als onderzoeker aan de University of Applied Sciences in Brandenburg (Duitsland, tot 2005), waar hij zijn master behaalde. Tobias legt zich toe op softwarebeveiliging en formele verificatie en validatie van softwaresystemen, specifiek voor ingebedde systemen en componenten van lowlevel besturingssystemen. Tobias heeft vooral belangstelling voor beveiligingsarchitecturen voor ingebedde systemen met belangrijke veiligheidsrisico s en voor het IoT. 10/41

11 Editie maart 2017 Photonics Fotonica op chip laat dokters dromen Dankzij chiptechnologie en fotonica kan je ultrakleine spectrometers, cytometers en microscopen maken. Maak kleine structuren op chip die met licht overweg kunnen en een heleboel wordt mogelijk. In de geneeskunde gebruikt men bv. veel toestellen die op basis van (fluorescentie)licht cellen, moleculen en weefsels bestuderen. En dankzij fotonica-op-chip kunnen er nu miniversies gemaakt worden van die toestellen. Wat is biofotonica-op-chip? Waarschijnlijk maak je dagelijks gebruik van fotonica: glasvezels zorgen ervoor dat je vlot en zonder problemen kan computeren en tv-kijken. Deze glazen kabels sturen data door met behulp van licht, en dat gaat veel sneller en is veel zuiniger dan wanneer je traditionele digitale kabels gebruikt. Hetzelfde kan je ook doen op een chip. Met ultrakleine vezels en structuren kan je licht rondsturen op een chip en allerlei taken laten uitvoeren. Dat kan gaan om het verwerken of verzenden van data op de chip, maar ook bio-toepassingen zijn mogelijk. Immers, licht is het meest gebruikte medium in medische diagnostiek. Denk maar aan micro- en spectroscopen. Op basis van licht kan je cellen tellen of visualiseren, eigenschappen van materialen en weefsels meten, een DNA-sequentie bepalen enz. Biofotonica-op-chip is een vrij recent onderzoeksdomein dat heel belangrijk zal zijn voor diagnostiek, therapie en opvolging. Dokters zullen een bloedstaal kunnen analyseren zonder grote (fluorescentie)microscopen en een weefselstaal kunnen onderzoeken zonder grote spectroscopen. Het is een hele uitdaging om fotonische structuren heel klein te maken en om ze te combineren tot een fotonisch circuit dat een bepaalde taak heel efficiënt en betrouwbaar kan uitvoeren. Als je de structuren maakt op basis van silicium, net als computerchips, of op basis van silicium-compatibele materialen (SiN), dan kan je elektronische en fotonische functies samen integreren en zo een compact en slim systeem maken. Bovendien kan je dan gemakkelijk honderden en duizenden systemen naast elkaar maken en laten 11/41

12 werken, waardoor je veel sneller resultaat krijgt dan met een enkel systeem. Dankzij biofotonica-op-chip beschikken we binnenkort over kleine, goedkope testchips die de dokter bijstaan in zijn beslissingen. Kleine vezels van siliciumnitride (SiN) worden gemaakt bovenop een siliciumchip. Deze golfgeleiders gidsen het licht volgens een welbepaald pad over de chip en langs bv. detectieplaatsen. 12/41

13 Enkele van de fotonische componenten die imec maakt: spectrometer, vezel-golfgeleider, golfgeleider en multi-mode interferometer. Cellen tellen en bekijken Om een bloedstaal op de traditionele manier te analyseren worden vaak fluorescente labels gebruikt. Het zijn moleculen die specifiek binden met bv. (onderdelen van) een bacterie, een gen, een kankercel. In een cytometer wordt het staal en dus de labels, belicht, waardoor ze fluorescent licht uitstralen dat kan waargenomen worden. Hierdoor kan het aantal bacteriën en kankercellen geteld worden of de aanwezigheid van een specifiek gen in een DNA-staal bepaald worden. Cytometers zijn typisch heel grote en dure toestellen die in medische labo s worden gebruikt. Imec ontwikkelt compactere oplossingen, nl. cytometers op een chip. In dergelijke chips stromen de cellen in een microfluïdisch kanaal en zijn er structuren onder en/of boven dit kanaal aanwezig om specifieke cellen te herkennen en te tellen. Bv. de cellen met een fluorescent label. Een recente ontwikkeling in dit domein is een fotonische structuur die een focusing grating coupler wordt genoemd. Een grating coupler wordt meestal gebruikt om licht dat uit een laser komt (en die op de chip schijnt) te koppelen in de golfgeleiderbaantjes op de chip en om het licht dat uit de golfgeleiders komt terug uit de chip te schijnen (bv in geval van een detector die niet geïntegreerd is op chip). De focusing grating coupler gaat licht dat in een golfgeleider beweegt, uit het vlak schijnen, zodat een opwaartse bundel van licht ontstaat, op de chip. Doorheen deze lichtbundel loopt het microfluïdisch kanaal waar doorheen cellen stromen. Op deze manier worden de cellen met fluorescente labels belicht waarna ze fluorescent licht uitsturen. Dit fluorescente licht wordt opgevangen door diffraction gratings die het licht sorteren per golflengte. Op die manier kunnen verschillende fluorescente labels tegelijkertijd gedetecteerd worden. Dit resultaat is een mooi voorbeeld van hoe compacte fotonische chips kunnen gebruikt worden om cellen te tellen, zelfs verschillende soorten cellen (met verschillende fluorescente labels) tegelijkertijd. Het grote voordeel van deze aanpak is niet zozeer dat je cellen optisch kan karakteriseren terwijl ze voorbij komen in een kanaal, maar wel dat je dit voor honderden kanalen tegelijkertijd kan doen. Dit betekent een enorme toename in throughput van de metingen. Het grote voordeel van deze aanpak is niet zozeer dat je cellen optisch kan karakteriseren terwijl ze voorbij komen in een kanaal, maar wel dat je dit voor honderden kanalen tegelijkertijd kan doen. Dit betekent een enorme toename in throughput van de metingen. Focusing grating couplers kunnen het licht in golfgeleiders uit het vlak sturen waardoor ze de cellen in een bovenliggend microfluïdisch kanaal efficiënt belichten. Naast het tellen van cellen, kan het ook interessant zijn om naar de morfologie van cellen te kijken. Ook hiervoor ontwikkelde imec een geïntegreerde oplossing: de lensvrije microscoop. Lees hier meer over in een vorig artikel van imec magazine. 13/41

14 Spectroscopie in het klein Spectroscopie wordt in de geneeskunde gebruikt om bepaalde stoffen te detecteren in weefsels, huid of hersengebieden, bv. cholesterol, melkzuur, ethanol. Ook melamine in melk, Ftalaat in speelgoed, verontreinigingen in vlees of de authenticiteit van medicijnen kan hiermee bepaald worden. De stoffen worden gedetecteerd vanwege hun specifieke interactie met bepaalde golflengtes van licht. Er bestaan vele vormen van spectroscopie: bv. absorptie-, reflectie-, fluorescentie- en Ramanspectroscopie. Van deze laatste ontwikkelt imec een miniversie op chip. Hiermee zou je bv. een compact toestelletje kunnen maken om op een niet-invasieve manier en op regelmatige tijdstippen bepaalde stoffen in je bloed te meten. Met de bestaande desktop Raman spectrometers is zoiets niet mogelijk. De grote uitdaging bij de ontwikkeling van een Raman-spectrometer is het heel kleine signaal en het grote achtergrondsignaal. Daarom moet de detector zeer gevoelig zijn. Een van de bekendste spectrometerconcepten is Michelson-interferometer. Een lichtbundel wordt gesplitst in twee bundels die een verschillende weg doorlopen alvorens samen te komen en te interfereren. Zo kunnen minieme verschillen in de weglengtes gemeten worden. Het nadeel van dit concept zeker als je het wil gaan verkleinen is dat er twee spiegels gebruikt worden waarvan er een beweegt. Zodra de bewegende spiegel niet helemaal juist staat, is de meting fout. Imec ontwikkelde een (gepatenteerde) oplossing zonder bewegende delen. Er worden honderden structuren interferometers naast elkaar gebruikt. Licht wordt op het weefsel geschenen en het gescatterde licht wordt opgevangen door een collimator. Deze verdeelt het licht met behulp van een beam shaper over de verschillende interferometers. Elke interferometer is iets kleiner dan de vorige waardoor ook minieme verschillen in weglengtes gemeten kunnen worden, net als bij de Michelsoninterferometer. Ontwerp van de Raman spectrometer op chip. 14/41

15 Een ultragevoelige sensor op basis van licht & geluid Fotoakoestiek is een snelle, relatief goedkope en ongevaarlijke manier om beelden te maken van het menselijk lichaam. Het kan bv. gebruikt worden voor onderzoek naar huid- en borstkanker. Het fotoakoestische effect werd in 1880 ontdekt door Graham Bell, de uitvinder van de telefoon. Hij belichtte een blokje selenium waarna er een zwakke toon ontstond (vandaar foto = licht en akoestiek = geluid). Licht en geluid zijn immers beiden trillingen. Licht kunnen we niet horen, maar het kan wel omgezet worden in geluid. Bij fotoakoestiek worden hele korte laserpulsen op het lichaam van de patiënt gericht. Afhankelijk van het weefsel, wordt een andere kleur licht gekozen. Wanneer zo n puls het weefsel raakt, wordt het omgezet in warmte. Het weefsel zet uit en wordt weer kleiner, waardoor een drukverandering ontstaat die zich als ultrageluid verder verplaatst. Dit signaal kan worden opgevangen door een soort microfoon. Het ultrageluid kan gebruikt worden om spectroscopische informatie over een materiaal te verzamelen of kan omgerekend worden tot een beeld. Het grote voordeel van fotoakoestiek is dat er geen achtergrondsignaal is en het dus een heel gevoelige techniek is. Fotoakoestiek wordt al veel gebruikt in medisch onderzoek, maar nog niet voor de diagnose van patiënten omdat de techniek nog te duur is. En hier wil imec verandering in brengen door een fotoakoestische sensor op chip te maken. Een belangrijke component hierbij is de microfoon die het ultrageluid moet opvangen. Het bestaat uit een siliciumoxide-membraan met een geïntegreerde fotonische golfgeleider. Wanneer het membraan beweegt door een geluidsgolf, wordt de golfgeleider uitgerekt en dit kan geregistreerd worden. Voor de fotoakoestische sensor op chip maakt imec gebruik van een membraan met geïntegreerde golfgeleider. Wanneer het membraan beweegt door een geluidsgolf, wordt de golfgeleider uitgerekt en dit kan geregistreerd worden. 15/41

16 Als het mogelijk wordt om spectrometers en fotoakoestische sensors te verkleinen, kan de chip misschien geïntegreerd worden in een pen zoals op deze tekening. De dokter kan ermee de huid van de patiënt snel scannen op zoek naar bv. huidkanker. Eens proberen? Begin 2016 startte het PIX4life project. Het is een Europees project, gecoördineerd door imec, waarin een bibliotheek van fotonische componenten wordt opgezet. Deze kan gebruikt worden door bedrijven ook KMO s die een medische toepassing willen maken. Door multiproject-wafers te gebruiken kunnen de fotonische chips op een goedkopere manier geproduceerd worden. Zo willen de projectpartner de drempel verlagen voor bedrijven en producten met biofotonica-op-chip sneller op de markt krijgen. Op die manier zal onze dokter sneller beschikken over een draagbare spectrometers, cytometer en microscoop waardoor de diagnose van ziektes en de opvolging van een behandeling revolutionair kan verbeteren. 16/41

17 Meer weten? Het PIX4life-project wordt gefinancierd door de Europese gemeenschap, binnen het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma (grant agreement No ). Meer info op 17/41

18 Editie maart 2017 Oplossing met EUV-lithografie voor het patroneren van back-end-of-line metaallagen: klaar voor massaproductie Tijdens de SPIE Advanced Lithography conferentie van 2017 stelde imec een oplossing voor die toelaat om de meest geavanceerde metaallagen in de backend-of-line van chips te patroneren. Imec werkte hiervoor nauw samen met zijn toestel- en materiaalleveranciers. De voorgestelde oplossing voldoet aan de specificaties van de N5 technologie-node die gehanteerd wordt door chipfabrikanten, en is klaar om in de industrie gebruikt te worden. Er worden twee scenario s voorgesteld om EUV-lithografie in te voeren, samen met voorstellen voor ontwerpregels, maskers, fotoresist, etsen, metrologie, en een evaluatie van de variaties. In dit artikel wordt één van deze scenario s in meer detail beschreven. Het is een combinatie van enerzijds immersielithografie samen met self-aligned quadruple patterning en anderzijds EUV-lithografie voor het patroneren van blocks. Hiermee kunnen patronen aangebracht worden in metaallaagjes met pitches van slechts 32nm. De uniformiteit van de lagen en hun lokale variabiliteit wordt besproken om te kijken of het platform geschikt is voor massaproductie. Het patroneren van geavanceerde back-end-of-line lagen Naarmate we naar meer geavanceerde technologieknopen (of nodes) evolueren, wordt het alsmaar moeilijker om patronen te maken in de meest kritische metaallagen van de back-end-of-line (BEOL). Deze metaallagen hebben een alsmaar agressievere pitch, wat verwijst naar de onderlinge afstand tussen de individuele patronen (bv. 32nm). In deze BEOL-lagen worden typisch geultjes gemaakt die in een finale metallisatiestap worden opgevuld met metaal. In deze continue geultjes moeten disconnecties worden voorzien, de zogenaamde block-lagen, die loodrecht op de geulen worden aangebracht. Op deze manier ontstaan kleine metaal tip-tegen-tips. In de industrie wordt gekeken naar verschillende opties om de meest agressieve BEOL-lagen en blocks te patroneren. Eén optie bestaat erin om gebruik te maken van 18/41

19 immersielithografie in combinatie met self-aligned quadruple patterning (SAQP) voor de metaallijntjes, en drievoudige patronering (immersie triple patterning) voor de block-laagjes. Voor deze optie is echter een triple block-masker nodig en een drievoudige litho-ets-procesflow. En dat maakt deze oplossing duur en complex. Een andere optie is de BEOL-metaallagen direct met EUV-lithografie (EUVL) te patroneren in een enkelvoudige belichtingsstap. Hoewel deze integratieflow erg eenvoudig en kostenefficiënt is, vormen de kwaliteit en de variabiliteit van het patroon, samen met het maken van geschikte maskers, een grote uitdaging, vooral dan voor de hele kleine tip-tegen-tips. Eén van de alternatieven die imec onderzoekt, is een hybride optie, waarbij immersie-gebaseerde SAQP van de metaallijntjes gecombineerd wordt met een directe print van de block-laag met EUVL waarbij ASML s NXE:3300-scanner gebruikt wordt. Patronen in metaal2 (32nm pitch) door SAQP + EUV-block te gebruiken (XSEM-beeld) Het imec N7 (in7) EUV-platform Om te kijken of deze SAQP + EUV block -optie geschikt is, maakt imec gebruik van zijn in7-platform. Dit platform werd ontwikkeld om het gebruik van EUVL voor geavanceerde BEOL-lagen te evalueren. Het platform brengt twee lagen in rekening: metaal1, met 42nm pitch, en metaal2, met 32nm pitch en een track -ontwerp van 7,5. De twee metaallagen worden door middel van via1 verbonden met elkaar, door gebruik te maken van een dual damascene procesflow. Het patroneren van zowel metaal1 als via1 kan 19/41

20 gebeuren met EUVL in een enkelvoudige belichting. Het in7-platform wordt gebruikt om te kijken of de hybride immersie/euvl-oplossing geschikt is voor metaal2. Optimalisering van ontwerpregels, maskers en etsproces Vooraleer met het printen en evalueren van het patroon kan begonnen worden, zijn er heel wat innovaties gedaan in aanpalende litho-domeinen. Zo heeft imec eerst ontwerpregels ontwikkeld om de mogelijke patroonschema s te ondersteunen. Er werd ook een geschikt resist-materiaal gekozen voor het EUV-blockproces. De impact van deze resist op de zogenaamde optical proximity correction (OPC) is onderzocht, wat leidde tot een 2D OPC full-chip model. Dit model werd samen met andere computationele lithografietechnieken gebruikt om de juiste maskers voor het EUV-block te ontwerpen. Tenslotte werden er ook nieuwe scheikundige verbindingen en integratieschema s voor het etsproces ontwikkeld. Het maken van SAQP-lijntjes en EUV-block SAQP (of self-aligned quadruple patterning) is een dubbele-spacer-techniek die goed is ingeburgerd in de industrie. Kort samengevat maakt dit proces gebruik van een lithografiestap en bijkomende depositie- en etsstappen om spacer-achtige structuren te definiëren. Deze spacer-structuren zijn kleiner dan wanneer conventionele lithografie zou gebruikt worden. Imecs procesflow vertrekt van metaal2-core-lijntjes, een (pre-)patroon van lijnen gemaakt met immersielithografie. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van ASML s NXT:1970i immersiescanner. Bovenop dit patroon wordt een laagje spacer-materiaal gedeponeerd. Daarna wordt de spacer-laag geëtst en het coremateriaal verwijderd. Dit tweede core -patroon wordt dan gebruikt als basis om een tweede spacerstructuur te maken, door de sequentie van spacer-depositie, spacer-ets en verwijdering van de core te herhalen. Na deze stappen bestaat elke rand van een core-lijn nu uit een doublet van spacer-lijnen. Het eindresultaat wordt gevormd door groepjes van zes spacer-lijntjes die een vier keer zo kleine pitch hebben (16nm halve pitch) dan het initiële prepatroon. Dit rooster van lijnen wordt dan overgebracht in het SiNmateriaal, waardoor een patroon van SiN-lijntjes overblijft bovenop een TiN-laag. Illustratie van het in7 SAQP-proces. In een volgende stap worden de block-lijntjes toegevoegd bovenop het SAQP-patroon. Eerst wordt spin-on koolstof (SoC) gecoat bovenop het spacer-patroon. Na resist-coating worden door een EUVbelichtingsstap met ASML s NXE:3300-scanner de details van het block in het resist-materiaal gecreëerd 20/41

21 bovenop het SoC-materiaal. Na het etsen van SoC blijven pillaar-achtige SoC block-structuren van 65nm hoogte achter op de spacer-lijntjes. Dit gecombineerde SAQP + block patroon wordt dan gepatroneerd in de onderliggende TiN-laag, die dienst doet als masker (hard mask). Door de geultjes in dit patroon in de onderliggende lage-k diëlektrische laag te etsen en te metalliseren, wordt het uiteindelijke metaal2- patroon bekomen. De breedte van de block-structuren bepaalt de kritische dimensie van de metaal2 tiptegen-tip. Evaluatie van de kwaliteit en lokale variaties van het patroon Een belangrijk onderdeel van dit werk is het evalueren van de kwaliteit van het patroon (de zogenaamde pattern fidelity) en de variabiliteit. Deze parameters zullen mee bepalen of de voorgestelde oplossingen geschikt zijn voor industriële productie. Bij deze kleine pitches van slechts 32nm kunnen zelfs de kleinste procesvariaties die optreden tijdens het lithografisch proces een enorme impact hebben op de performantie van de uiteindelijke chip. Deze variaties hebben te maken met het al of niet uniform zijn van overlap en kritische dimensies, maar ook met stochastische effecten in het resist-materiaal. De belangrijke parameters zijn de breedte en de lengte van de block-structuren. De breedte van een block op de plaats van een geul bepaalt de resulterende metaal tip-tegen-tip. Target voor het in7-ontwerp is om een kritische dimensie van 21nm metaal tip-tegen-tip te bekomen na het etsen van het lage-k diëlektricum. De experimenten tonen aan dat de kritische dimensie voldoende uniform is over de wafer. Verwacht wordt dat deze, mits verdere fine-tuning, onder de 1nm 3sigma zal blijven. Ook de lokale variatie van de breedte en plaats van het block zijn belangrijk. Zij bepalen de overlapping van het lijn-einde van het metaal met de via die het metaal verbindt met de laag erboven of eronder. De belangrijkste bijdrage tot de lokale variatie blijkt de stochastische ruis te zijn, afkomstig van statistische variaties in de manier waarop de beschikbare fotonen met de resist interageren. Wanneer we deze variatie bij de overlap tellen (de overlap heeft te maken met hoe nauwkeurig de scanner de verschillende lagen boven op elkaar kan leggen), wordt een error in de plaatsing van de metaal-tip van ~5nm 3sigma behaald. Wanneer bijvoorbeeld geen naburige via s toegestaan zijn, zal er voldoende marge zijn om de metaaltip te plaatsen. Een andere kritische dimensie is de lengte van het block, die bepalend is voor de efficiëntie waarmee de metaalgeul kan ge blokkeerd worden. Een te korte block zal de metaalgeul niet voldoende afsnijden, en een te lange structuur kan naburige metaalgeulen blokkeren. De ideale positie voor het block-einde is halfweg de spacer-lijn. Voor de variatie van het block-einde ten opzichte van de spacer-randen is een maximaal budget van +/- 8nm ter beschikking. Grootste verbruikers van dat budget zijn opnieuw de overlap en de stochastische variaties, samen goed voor een lokale variatie van ~6nm 3sigma. Wanneer andere bijdragen (zoals de intra-wafer uniformiteit van de kritische dimensie) klein genoeg kunnen worden gehouden, zal de spacer-breedte (16nm) voldoende marge geven om de SAQP + block technologie voor de in7 node mogelijk te maken. Exacte specificaties kunnen evenwel nog variëren, afhankelijk van het bedrijf en de toepassing. 21/41

22 (Links) lengte van het block bepaalt de efficiëntie waarmee de metaalgeul kan geblokkeerd worden, terwijl (rechts) de breedte de metaal tip-tegen-tip bepaalt. Naar EUVL-implementatie voor massaproductie Onderzoekers van imec hebben het gebruik van SAQP in combinatie met een enkelvoudige EUV block-stap onderzocht om kritische metaal2-lagen met 32nm pitch in de back-end-of-line te printen. Een belangrijk besluit is dat de performantie van de ASML NXE:3300 scanner voldoende is om deze metaal2 block-lagen te printen. De resultaten tonen duidelijk aan dat de EUVL-block succesvol kan geïntegreerd worden. Overlap en stochastische effecten blijven echter aandachtspunten en moeten verder verbeterd worden, zeker wanneer de dimensies nog verder worden verkleind. De voorgestelde oplossing biedt een goed alternatief voor SAQP + immersie triple-block patronering van de 32nm metaallaag. Verwacht wordt dat deze hybride oplossing waarbij EUVL gebruikt wordt om het block en de via s te printen, 20% kostenefficiënter zal zijn. Een bijkomende kostenreductie van 3% wordt verwacht van een scenario waarbij alleen EUVL gebruikt wordt in een enkelvoudige belichtingsstap om patronen aan te brengen in de BEOL-metaallagen. Eerste resultaten voor deze EUVL-optie wijzen naar de kwaliteit van het patroon en het maken van het masker als belangrijke uitdagingen. Optimalisaties voor deze EUVL-optie zijn nog gaande. Schaalverkleining van de pitch is niet voldoende om aan alle vereisten voor de foundry N5 technologienode te voldoen. Daarom is ook een co-optimalisatie van de technologie met het ontwerp van standaardcellen meegenomen in de oplossing, waardoor veel kleinere standaard cel-hoogtes worden bereikt. Door deze oplossing mee te nemen, zal de node volledig kunnen worden gedefinieerd. De toename van de wafer-kost (ongeveer 3%) door gebruik te maken van deze zogenaamde schalings-boosters wordt gecompenseerd door een bijkomende schaalverkleining van de oppervlakte met zo n 21%. Samen met de voorstellen voor ontwerpregels, maskers, fotoresist, etsstappen en metrologie, waarvoor imec nauw samenwerkt met toestel- en materiaalleveranciers, wordt met deze resultaten voor de eerste keer een oplossing voorgesteld om EUVL te implementeren in massaproductie. 22/41

23 Editie maart 2017 Slimme apps voor slimme steden Doctoraalscriptie van VUB & imec geeft vuistregels voor een succesvolle uitrol van apps in steden. Slimme steden communiceren met hun burgers via slimme apps: mobiele toepassingen die het leven en werken in de stad zoveel aangenamer maken. Het aantal apps waarmee burgers aan de slag kunnen, swingt ondertussen de pan uit. Sommige worden aangeboden door commerciële spelers, terwijl andere gratis ter beschikking worden gesteld door de lokale overheid. Maar op welk type apps moeten slimme steden nu echt inzetten? Nils Walravens (imec - VUB) helpt beleidsverantwoordelijken het bos door de bomen te zien. In zijn doctoraalscriptie gaat hij dieper in op de rol van de stad wat het aanbieden van slimme stadsapps betreft. Voor ons geeft hij alvast een aantal vuistregels mee. Slimme stadsapps: wat werkt, en wat niet? Via onze smartphone heeft ieder van ons toegang tot honderden slimme stadsapps. Er bestaan bijvoorbeeld apps die het verband leggen tussen tijdstip, verkeersdrukte en luchtverontreiniging; informatie waarop we onze dagelijkse wandeling of fietstocht kunnen afstemmen. In New York bestaat er zelfs een nietdoorspoelen-app die, bij zware regenval en overbelasting van het rioleringsstelsel, bewoners laat weten wanneer ze beter wel (of niet) hun toilet doorspoelen. Anderzijds worden via deze applicaties ook nieuwe data gegenereerd over mobiliteitspatronen of kapotte straatverlichting, bijvoorbeeld waarmee beleidsmakers hun stad nog beter kunnen afstemmen op lokale behoeften. Een win-win dus, zou je denken. In de praktijk blijkt echter dat vele beleidsmakers vooralsnog in het duister tasten over hoe ze hun burgers het beste kunnen bedienen via slimme stadsapps. Ze worstelen onder meer met het vraagstuk in welke applicaties ze zelf moeten investeren en waar ze de markt kunnen laten spelen. Als onderdeel van zijn doctoraalscriptie ging Nils Walravens (imec - VUB) daarom op zoek naar wat werkt in het slimme stadsapp-landschap en wat niet en hoe een stad zich op de meest ideale manier in deze waardeketen kan positioneren. Hij startte met een brede inventarisatie van Europese en Amerikaanse slimme stadsapps en onderzocht het succes ervan op basis van een aantal parameters (grote versus kleine stad, adoptiegraad van de toepassingen, enz.). Daarna maakte hij meer specifiek een overzicht van een 23/41

24 driehonderdtal apps gerelateerd aan de stad Brussel en probeerde hij ook daarvan de impact te beoordelen (aan de hand van onder meer ratings en downloadstatistieken). Door die inzichten te vertalen in concrete tips geeft hij steden een houvast bij het definiëren van hun slimme stadstrategie. Het sleutelconcept: publieke waarde Publieke waarde is een bijzonder belangrijke barometer om te bepalen waar de overheid in dit verhaal echt het verschil kan maken, aldus Nils Walravens. We moeten daarbij een onderscheid maken tussen directe en indirecte publieke waarde. Slimme stadsapps met een directe publieke waarde zijn vooral nuttig voor individuele gebruikers, en focussen op de korte termijn. Denk bijvoorbeeld aan informatie-apps die je de openingstijden van winkels of nuttige plaatsen in je buurt tonen. Van zulke toepassingen heb ik talloze voorbeelden teruggevonden; eigenlijk is dat een markt die spontaan en grotendeels door commerciële partners wordt afgedekt. Lokale overheden daarentegen zouden veeleer moeten inzetten op het aanbieden van slimme stadsapps met een indirecte publieke waarde, die het collectieve belang op langere termijn dienen. We spreken dan eerder over toepassingen waarmee burgers bijvoorbeeld zwerfafval kunnen signaleren, of schade aan fietspaden. Dat soort apps kwam ik veel minder frequent tegen; en als ze al beschikbaar waren, werden ze amper gebruikt omdat ze zich vaak nog in een experimenteel stadium bevonden. Met andere woorden: vele steden zijn eigenlijk nog niet klaar voor het aanbieden van dergelijke diensten. De app op zich is misschien wel snel gemaakt maar voor het succesvol uitrollen van slimme stadsapps is heel wat meer nodig! Denk op lange termijn, duid een verantwoordelijke aan, focus op open data en werk samen! Een eerste belangrijke succesfactor bij het uitrollen van slimme stadsdiensten is de definitie van een langetermijnvisie en de aanstelling van een verantwoordelijke om die visie van nabij op te volgen. Op die manier kunnen lokale overheden immers beter de gevolgen inschatten van de keuzes die ze vandaag maken gaande van partnerships en financiering tot duidelijke afspraken over hoe slimme stadsdata precies gebruikt mogen worden. Dat data het nieuwe goud is, is ondertussen een beetje een boutade geworden. Maar als je slimme stadsapps met een indirecte publieke waarde wil gaan ontwikkelen en aanbieden, dan zijn goede en open data inderdaad een absolute noodzaak. En het gaat daarbij zeker niet alleen om realtime sensorinfo, maar ook om het ter beschikking stellen en linken van statische informatie zoals geografische data of stratenlijsten, duidt Nils Walravens. Of anders gezegd: eerst de data, en dan pas de apps! Dat is ook de filosofie achter het Smart Flanders -initiatief dat de Vlaamse Regering in januari 2017 boven de doopvont hield; een programma waarin de Vlaamse overheid en imec de 13 Vlaamse centrumsteden en de Vlaamse Gemeenschapscommissie in Brussel zullen ondersteunen om hun smart city-data open te stellen. Dat zal gebeuren volgens de nieuwste Europese standaarden en formaten, zodat iedereen die gegevens optimaal kan benutten om slimme toepassingen te ontwikkelen. Bedoeling is dat we die steden de volgende drie jaar intensief zullen begeleiden op hun open data -traject. We zullen hen niet alleen ondersteunen bij het ontwikkelen van een visie maar staan ook voor hen klaar bij het kiezen van standaarden en het definiëren van een onderliggende open data-architectuur, zegt Nils Walravens. In lijn met de aanpak van de Nederlandse gemeente Eindhoven, bijvoorbeeld, zullen we hen bovendien helpen vastleggen hoe de verschillende betrokken partijen met alle open data mogen omgaan. En naast de activiteiten die vanuit imec Brussel georganiseerd worden, kunnen ze terecht in onze City of Things-proeftuin voor het opzetten en evalueren van piloottesten. Dat het niet de bedoeling is dat elke stad telkens opnieuw het warm water uitvindt, blijkt trouwens ook uit gelijkaardige initiatieven in het buitenland zoals het Six City -programma in Finland, waarbij zes steden 24/41

25 (en hun partners) tussen 2014 en 2020 samen ongeveer 100 miljoen euro zullen investeren in slimme stadstoepassingen op het gebied van slimme mobiliteit, propere technologie, open data, enz. Elk vanuit hun eigen specifieke noden, maar wel met aandacht voor het gebruik van open standaarden bijvoorbeeld. Een ander pan-europees voorbeeld is het SELECT for Cities -initiatief waarin Antwerpen, Helsinki en Kopenhagen samen met zes partners (waaronder imec) op zoek gaan naar bedrijven die hen kunnen helpen een grootschalig Internet of Things (IoT)-platform te ontwikkelen. Een mooi voorbeeld van wat we precommercial procurement noemen, zegt Nils Walravens. Bedrijven en ontwikkelaars die interesse hebben om hier hun steentje toe bij te dragen, kunnen trouwens nog steeds deelnemen aan het tenderproces dat loopt tot 14 april. Tot slot: onderneem deze reis niet alleen: het is niet evident om dit allemaal in de praktijk te brengen, besluit Nils Walravens zijn advies. Slimme stadsprojecten zijn immers ontzettend veelzijdig en vereisen continue interactie tussen overheid, commerciële partners en burgers. Onderzoeksinstellingen zoals imec hebben de domeinexpertise van technische standaardisatie en bestuurskundige afwegingen tot cocreatie en proeftuinonderzoek om hierin een dragende rol te spelen en de zogenaamde quadruple helix te vervolledigen. Samenwerking zal absoluut cruciaal zijn om op termijn een rijk aanbod aan commerciële en publieke apps uit te bouwen waarmee we de levenskwaliteit in onze steden echt kunnen verbeteren. Denk bijvoorbeeld aan een multimodale verkeersapp die met heel veel verschillende data rekening houdt, en toch super-gepersonaliseerd advies geeft. Dat is een streefdoel dat we enkel kunnen bereiken wanneer we de juiste spelers aan boord hebben, hen op één lijn krijgen, en voldoende data uit verschillende sectoren kunnen ontsluiten en linken. En wat met de burger? Indien je meer wil lezen over hoe de burger in dit plaatje past, en hoe we kunnen vermijden dat we een maatschappij met twee snelheden creëren waarin sommige mensen digitaal worden uitgesloten bekijk dan zeker even het volgende opiniestuk van imec - VUB-collega Ilse Mariën: 25/41

26 Biografie Nils Walravens Nils Walravens studeerde in juli 2007 cum laude af als Master in de Communicatiewetenschappen aan de Vrije Universiteit Brussel. Hij deed dat met een proefschrift over de invoering van hogedefinitietelevisie in Vlaanderen, beschouwd vanuit een politiek-economische invalshoek. Nils ging in augustus 2007 aan de slag bij imec - SMIT - VUB als onderzoeker in de cluster Media, Market & Innovation. Hij is gespecialiseerd in het onderzoek naar bedrijfsmodellen in zowel de mobiele sector als de mediabranche. Hij werkte mee aan korte adviesopdrachten, nationale imec-projecten en Europese FP6-, FP7- en H2020-projecten. In 2011 begon Nils aan een vierjarig project in het kader van Prospective Research for Brussels, gefinancierd door Innoviris en het Brussels Hoofdstedelijk Gewest. Doel van het project was het bepalen van beleidsaanbevelingen op het vlak van bedrijfsmodellen en platformontwikkeling voor mobiele stadsdiensten, in de context van een zich steeds verder ontwikkelende mobiele sector. Dat onderzoek leidde tot een doctoraalscriptie over slimme steden en de publieke waarde die via apps kan worden gecreëerd. Nils verdedigde de scriptie in oktober 2016 met succes. Nu werkt hij als senioronderzoeker in het Smart Cities-team van imec - SMIT - VUB en coördineert hij het project Smart Flanders. 26/41

27 Editie maart 2017 Flexible electronics Nieuwe plastic chip in de maak die communiceert met touchscreens Imec en spel- en speelkaartenfabrikant Cartamundi ontwikkelen een nieuwe revolutionaire technologie, plastic C-tokens, voor korte-afstandscommunicatie. Recent nog kwam imec in het nieuws met een plastic NFC-chip die ervoor zorgt dat allerlei objecten (met geïntegreerde NFC-chip) kunnen communiceren met tablets en smartphones. NFC* is net als RFID* en QR een technologie om objecten over een korte afstand met elkaar te laten communiceren. Bovendien ontwikkelen imec en spel- en speelkaartenfabrikant Cartamundi nu een nieuwe revolutionaire technologie voor korte-afstandscommunicatie. Het zijn plastic C-tokens die met elk touchscreen kunnen interageren, en plooibaar, goedkoop en dun zijn. Sarah Schols (imec) en Steven Nietvelt (Cartamundi) vertellen over hun plannen. * NFC: Near Field Communication; RFID: Radio Frequency Identification; QR: Quick Response; C-tokens: Capacitieve tokens. Waarom zou je chips in speelkaarten steken? Steven Nietvelt is Chief Technology and Innovation Officer bij Cartamundi en heeft een hart voor kaarten: Mijn lievelingsspel is Rikken, een Kempische variant op Wiezen. Elke woensdag, en dit al meer dan 30 jaar, spreek ik met enkele jeugdvrienden af voor een avondje Rikken. Het zijn altijd heel gezellige momenten! En daarmee bevestigt Nietvelt de trend: kaart- en bordspelen brengen mensen dichter bij elkaar. En vooral nu, in tijden van smartphones en het internet, lijken mensen daar extra nood aan te hebben. Nietvelt: Bordspellen kennen een ware revival. Vooral op feestjes of op vakantie worden ze bovengehaald omdat het zo veel leuker is om samen een spel te spelen dan om elk apart op een smartphoneschermpje te zitten staren. 27/41

28 Vanwaar dan de nood om bord- en kaartspellen een digitaal kantje te geven? Nietvelt: We geloven bij Cartamundi dat we spellen een extra dimensie kunnen geven door de smartphone, of een ander beeldscherm, erbij te betrekken. Zeker als we de smartphone addicts of de jongsten die geboren zijn met een tablet in hun hand rond de tafel willen krijgen. Je kan heimwee hebben naar de tijd dat kinderen nog buiten voetbalden (in plaats van FIFA te spelen op hun PlayStation) of cowboy en indiaantje speelden (i.p.v. Grand Theft Auto), of je kan er iets aan doen! Een mooi voorbeeld is Pokemon Go waarbij een app jongeren aanzet om naar buiten te gaan. Ook bij het spel Speak Out de hit van het jaar zie je een mooie versmelting van het traditionele spel en nieuwe media. Het spel bestaat erin om zinnen voor te lezen met een mondstuk in de mond en je spelpartner moet raden wat je zegt. Miljoenen filmpjes van scènes-met-mondstuk zijn al gedeeld en leveren vaak hilarische beelden op. Jongeren (en ook ouderen) staan er dus zeker voor open om spellen te spelen met een digitaal extraatje, als het maar sociaal en leuk blijft. Cartamundi heeft, naast zijn hoofdkantoor in Turnhout, ook een filiaal in Gent geopend: Cartamundi Digital. Ze ontwikkelden hier bv. de Shuffle reeks, een nieuwe generatie kaartspellen met dat ietsje meer. Nietvelt: Vaak is het een kaartspel dat in combinatie met een app kan worden gebruikt. Als je de kaart in de buurt brengt van je smartphone of tablet, kan er extra informatie verschijnen, een filmpje waardoor het lijkt of je kaart tot leven komt, geluiden, enz. Afhankelijk van de concrete toepassing gebruikt Cartamundi hiervoor verschillende technologieën, waaronder beeldherkenning met de smartphonecamera, barcodes, RFID-chips die in de kaart geïntegreerd zijn, enz. Nietvelt: In casino s bijvoorbeeld gebruiken we kaarten met RFID-chips zodat de speeltafel weet welke kaarten er liggen. Dit is belangrijk tijdens grote tornooien waar steeds een beeld van de speeltafel (en van de kaarten in de hand van de spelers) getoond wordt tijdens de live tv-uitzendingen. Cartamundi is dus voortdurend op zoek naar nieuwe mogelijkheden om kaarten te laten communiceren met smartphones, of beeldschermen in het algemeen. En ook om pionnen en dobbelstenen te laten communiceren met het spelbord. Zo kwamen ze in 2009 in contact met imec. Eerst voor een haalbaarheidsstudie, en vervolgens voor twee VLAIO- en twee EU-projecten, respectievelijk ORCA (Oxide RFID enabled gaming cards), WOOPI, PING en CAPID (Capacitive Identification Tokens). 28/41

29 Cartamundi maakt kaartspellen met een digitaal extraatje. Daarom zijn ze steeds op zoek naar technologieën die kunnen zorgen voor een link tussen de papieren en digitale wereld. Silicium of plastic? De RFID-tags die Cartamundi (voorlopig) gebruikt in de casinokaarten zijn gemaakt van silicium. Maar het kan ook anders. Sarah Schols, R&D Manager Thin Film Electronics bij imec legt uit: Siliciumtechnologie ligt aan de basis van het succes van de chipindustrie. Maar je kan ook chips maken door dunne laagjes metaaloxide te printen op plastic. Natuurlijk zullen deze plastic chips de siliciumchips in onze smartphones en computers niet vervangen, maar voor andere toepassingen zijn ze wel de beste keuze. Namelijk voor toepassingen waarvoor je heel goedkope, dunne en plooibare chips nodig hebt. Nu worden in de logistiek bijvoorbeeld paletten gevolgd dankzij een silicium RFID-chip, maar als je elk object op dat pallet individueel wil volgen, dan heb je goedkopere (metaaloxide) RFID-labels nodig. Ook als je een betaalbaar kaartspel wil maken met RFID-chips in elke kaart, dan heeft de metaaloxidetechnologie een stapje voor. Ook kan je met oxidetags de kaarten even dun en plooibaar maken als de traditionele kaarten. Imec is al meer dan 10 jaar bezig met het ontwikkelen van plastic chips. In 2012 bv. haalde imec het wereldnieuws met de eerste plastic microprocessor. Belangrijk hierbij is dat de technologie die ontwikkeld wordt, geschikt is voor een industriële omgeving. Zo wordt er samengewerkt met partners die vandaag al plastic beeldschermen maken (voor smartphones, tv s,...) en die klaar zijn voor de volgende stap, nl. plastic chips voor logistiek en andere toepassingen. Schols: Een eerste belangrijke uitdaging hierbij is om deze chips zuinig te maken. Vandaag verbruiken ze typisch zo n 10 milliwatt, maar ons uiteindelijke doel is 10 microwatt en lager. We willen de chips dus 1000x zuiniger maken en hopen daar binnen 5 jaar in te slagen. Ten tweede willen we de dunnefilm-transistors (waaruit de plastic chips zijn opgebouwd) sneller maken. We slaagden erin om de benodigde snelheid voor RFID-communicatie te behalen en recent ook voor NFCcommunicatie, een hele prestatie. Een derde belangrijke uitdaging voor onze plastic technologie is het ontwerp van circuits. Gelukkig kunnen we hier rekenen op onze expertise op het vlak van silicium-circuits. Waar we vandaag aan zo n transistors per circuit zitten, willen we dit binnen 5 jaar graag met een factor 100 vergroten. Als we nl. circuits van rond de transistors kunnen maken, betekent dit dat we plastic tags kunnen maken voor Het internet der Dingen: bv. sensoren met geïntegreerd circuit om berekeningen te doen. Natuurlijk kan dit vandaag al met siliciumchips, maar plastic chips zijn plooibaar en vooral veel goedkoper! 29/41

30 Dunnefilm microprocessor op plastic folie. RFID, NFC, QR & Capacitieve tokens Er bestaan vandaag verschillende technologieën voor korte-afstandscommunicatie. Schols schept duidelijkheid: QR-codes kennen de meesten onder ons als de tweedimensionale barcodes die je op businesskaartjes en flyers ziet staan. Het nadeel is dat je ze nauwkeurig moet kunnen scannen met de camera van je smartphone en dat je er geen extra intelligentie aan kan toevoegen. Ze linken naar een bepaalde website en dat is het. Bovendien zijn QR-codes vanuit esthetisch standpunt ook niet altijd mogelijk. Ze zijn niet onzichtbaar te integreren. RFID-chips bestaan zowel in silicium- als oxidetechnologie. De RFID-tag kan worden uitgelezen door een speciale RFID-reader dichtbij de tag te brengen. NFC-tags daarentegen kunnen door elke moderne smartphone of tablet worden uitgelezen. Opnieuw door tag en reader dichtbij elkaar te brengen. NFC en RFID worden gebruikt in verpakkingen om de logistieke keten vlot te laten verlopen maar ook voor brand protection (scan de dure merkkledij met je smartphone en je weet of het geen namaak is); marketing (scan de fles wijn en bekijk een filmpje over de wijnboer); en ook in speelkaarten van Cartamundi. Schols: En het wordt pas echt interessant als je de NFC- of RFID-circuits gaat combineren met sensoren. Denk bv. aan pampers met een vochtigheidssensor en tag: de kinderverzorgster kan haar smartphone kort bij de pamper brengen en de tag zal doorgeven aan de smartphone of de pamper nat is of niet. Zo kan je snel een heleboel kinderen scannen en heb je meer tijd om met hen leuk te spelen. 30/41

31 In de toekomst gebruikt men in crèches misschien wel pampers met een vochtigheidssensor en (NFC-)tag: de kinderverzorgster kan haar smartphone kort bij de pamper brengen en de tag zal doorgeven aan de smartphone of de pamper nat is of niet. Sarah Schols: En momenteel werken we samen met onder meer Cartamundi zelfs aan een heel nieuwe technologie, in het kader van het Europese CAPID-project. Concreet gaat het om C-tokens of capacitieve tokens, opnieuw gemaakt op basis van onze unieke metaaloxide-technologie. C-tokens zijn heel klein omdat ze geen antenne nodig hebben: ze werken immers niet via radiogolven maar via capaciteiten. Doordat ze geen antenne hebben, zijn ze potentieel goedkoper dan RFID- en NFC-labels. Bovendien kunnen ze communiceren met elk touchscreen. Ze moeten dan op het touchscreen gelegd worden, en dus niet op korte afstand ervan zoals bij RFID en NFC. Je zou de technologie in toegangstickets kunnen gebruiken (want moeilijker na te maken en dus veiliger), of voor betalingen (leg je bankkaart tegen je computerscherm om een betaling te doen), of in pionnen en dobbelstenen in combinatie met een beeldscherm-spelbord. De capacitieve technologie is ook zeer interessant voor het Internet der Dingen omdat je elk object (met capacitieve token) kan laten communiceren met de beeldschermen in de buurt. Belangrijk is dat deze nieuwe technologie zal bestaan naast NFC- en RFID-labels. Voor heel wat toepassingen is het immers gemakkelijker om vanaf korte afstand te scannen in plaats van door direct contact te maken. Afhankelijk van de afstand waarbij uitgelezen moet worden, kan dus de geschikte technologie gekozen worden. Al deze 31/41

32 technologieën naast elkaar zorgen er dan voor dat er vele mogelijkheden zijn om IoT-objecten met elkaar te laten communiceren. De toekomst van kaart- en bordspellen/strong> Er zijn dus nog heel wat nieuwe mogelijkheden die Cartamundi en zijn klanten (Hasbro, Mattel, Disney, Konami, Ravensburger, Mc Donalds, Wizards Of The Coast,...) kunnen gebruiken voor hun spellen. We vragen Nietvelt om even in de glazen bol te kijken: hoe gaan kaart- en bordspellen evolueren? Nietvelt: De traditionele speelkaart zal altijd blijven bestaan. Het is nog steeds het meest gespeelde spel ter wereld (vooral in landen als Spanje, Italië en in Zuid-Amerika en Azië, waar mensen veel buiten zitten, of samenkomen op café). Daarnaast zetten we ook sterk in op onze Shuffle-reeks waarbij je een kaartversie van bv. monopoly, Wie is het,... kan spelen in combinatie met een app. Mensen willen graag een snel en compact spel spelen met eenvoudige spelregels. De meesten onder ons hebben immers niet veel tijd en willen niet uren aan tafel gaan zitten om een moeilijk bordspel te spelen. De versmelting tussen het kaartspel en het digitale zal zeker een rol gaan spelen in de toekomst. Het zou bijvoorbeeld heel interessant zijn om Trivial Pursuit te spelen met online geüpdatet kaarten, of met extra film- en geluidsfragmenten. Of stel dat monopoly kan inspelen op de actualiteit: de prijzen op de huizenmarkt in Brussel dalen omdat de vluchtroutes boven Brussel zijn veranderd enz. Of wie weet kunnen we monopoly vanop afstand spelen. Vader neemt een monopolykaartspel mee op zakenreis en kan s avonds met zijn kinderen een partijtje monopoly spelen door interactie met het computerscherm of het tvscherm in de hotelkamer. Het is niet zeker wat de toekomst zal brengen, maar volgens mij zullen de traditionele kaarten en bordspelen blijven bestaan, met een mooi digitaal extraatje er bovenop. De mogelijkheden zijn onbeperkt en, dankzij nieuwe technologieën zoals de metaaloxide (RFID, NFC, C-)tags, gaat er een heel nieuwe wereld open voor de spelbedenkers. Meer weten? Lees het persbericht over de NFC-chip die imec, Holst Centre en Cartamundi voorstelden tijdens de ISSCC-conferentie Bekijk hier de verschillende technologieën die Cartamundi gebruikt voor bord- en kaartspelen Het PING-project wordt gefinancierd door de Europese gemeenschap, binnen het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma (grant agreement No ). Het CAPID-project wordt gefinancierd door de Europese gemeenschap, binnen het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma (grant agreement No ). Het ORCA- en WOOPI-project werden gefinancierd door VLAIO (Vlaams Agentschap Innoveren en Ondernemen). (ORCA-project nummer: ). 32/41

33 Biografie Sarah Schols Sarah Schols received the PhD degree in electrical engineering in 2009 from the Katholieke Universiteit Leuven, Belgium. Her Doctoral Research, which was funded by the Belgian Fund for Scientific Research (FWO), focused on the design of new device architectures and material concepts for organic lightemitting devices. Currently, she leads the Thin Film Electronics group in the Large Area Electronics Department of imec focusing on organic and oxide electronics on foil. Biografie Steven Nietvelt Steven Nietvelt studied Industrial Engineering at Groep T, followed the MBA course at Flanders Business School and a Masterclass in Innovation at Vlerick Business School. For more than 20 years he has worked for Cartamundi and contributed to the growth from 30 million to almost 400 million Euros of turnover. Steven took many management roles within the company at the HQ in Turnhout but also in Cartamundi USA. Today he is Chief Technology and Innovation Officer, overseeing the global technology and innovation activities of the group. 33/41

34 Editie maart 2017 imec.ic-link ESA lanceert innovatieve communicatiesatelliet met DAREenabled chips aan boord Imec leverde een bijdrage aan niet minder dan 645 chips die in de elektronica van de satelliet verwerkt zijn. Op 28 januari steeg van de lanceerbasis van het European Space Agency (ESA) in Frans-Guyana een Sojoezraket op met aan boord de HISPASAT 36W-1-satelliet. Eenmaal op zijn bestemming, zal de innovatieve communicatiesatelliet in een geostationaire baan om de aarde draaien, op een hoogte van kilometer en een positie van 36 graden westerlengte. De satelliet wordt uitgebaat door Hispasat, een wereldleider in uitzendingen in het Spaans en Portugees, en zal multimediadiensten verzorgen voor Spanje, Portugal, de Canarische Eilanden en Zuid-Amerika. Imec leverde een bijdrage aan niet minder dan 645 chips die in de elektronica van de satelliet verwerkt zijn. Bovendien is dit de eerste ruimtevlucht van chips die met imecs DARE-platform (Design Against Radiation Effects) zijn ontwikkeld, zegt Steven Redant, ASIC Design Services Manager bij imec.ic-link, imecs dienst voor innovatieve ontwerpen en productie van chips. De HISPASAT 36W-1-satelliet is om vele redenen innovatief. Het is bijvoorbeeld de eerste satelliet die gebruikmaakt van SmallGEO het Small European Geostationary Platform ontwikkeld in het kader van de ESA ruimteprogramma s. SmallGEO is sterk modulair en ontworpen om satellieten zonder grote wijzigingen aan de wensen van klanten aan te passen en ze ook geschikt te maken voor meerdere toepassingen, zoals telecom of aardobservatie. OHB, de Duitse fabrikant van de satelliet, hoopt dan ook dat SmallGEO de productie van satellieten sneller, goedkoper en flexibeler zal maken. In de toekomst zullen SmallGEO-satellieten bovendien alleen nog met elektrische aandrijving in de juiste baan worden gebracht. Aangezien persgassen aan boord dan niet langer nodig zijn, zullen de satellieten daarmee ook aanzienlijk lichter worden. De payload van de nieuwe satelliet is het telecommunicatiesysteem RedSAT, dat in opdracht van Hispasat door een Spaans consortium werd ontwikkeld. 34/41

35 In vergelijking met de klassieke telecomsystemen in satellieten slaagt RedSAT erin om het vermogen en de bandbreedte veel soepeler en efficiënter te benutten, zegt Steven Redant. Eindgebruikers genieten hierdoor een betere service, omdat kleinere terminals volstaan en gebruikers onderling kunnen communiceren met één enkele satellietverbinding of hop. De onvermijdelijke vertraging van de signalen daalt daarmee met de helft en bijvoorbeeld realtime-toepassingen zoals videoconferenties profiteren daar sterk van. En dat is allemaal te danken aan twee innovaties: de sterke signaalregeneratie aan boord en de actieve antenne. Launch of Hispasat 36W-1 (image: ESA/CNES/ARIANESPACE) Het signaal repareren in de ruimte Bij klassieke telecomsatellieten wordt het inkomende signaal ongewijzigd en altijd met hetzelfde vermogen terug naar de aarde gestuurd, ongeacht bijvoorbeeld de beschikbaarheid van kanalen of de weersomstandigheden. Daarbij wordt behalve in de allerslechtste omstandigheden teveel energie gebruikt. Bovendien worden fouten in het uplink-signaal zonder meer opnieuw uitgezonden, in combinatie met extra downlink-fouten. Omdat de ontvanger toch een correct signaal zou kunnen genereren, moeten daarom extra bandbreedte voorzien worden voor foutencorrectie. De Hispasat 36W-1-satelliet gooit het over een heel andere boeg. De zogeheten regeneratieve technologie past het signaalvermogen aan de omstandigheden aan en corrigeert uplinkfouten vóór het signaal opnieuw wordt uitgestuurd. Het totale vereiste zendvermogen ligt daardoor lager én er is minder bandbreedte nodig voor foutencorrectie, wat de capaciteit van de satelliet ten goede komt. De rekenkracht aan boord vereenvoudigt bovendien ook de signaalverwerking door het grondstation. Dit leidt tot een veel eenvoudiger netwerk, waardoor gebruikers genoeg hebben aan kleinere en minder krachtige terminals. Communicatie waarvoor traditioneel een dubbele hop nodig is, wordt nu in één hop uitgevoerd, zodat er minder signaalvertraging optreedt en de kwaliteit van realtime-diensten stijgt. 35/41

36 Om dit voor elkaar te krijgen beschikt de satelliet over 23 transponders, 20 in de Ku-band en 3 in de Kaband, de twee microgolfbanden die voor satellietcommunicatie worden gebruikt. Zij ontvangen signalen van grondstations, regenereren ze en versturen ze op de downlinkfrequenties naar ontvangers op aarde. Steven Redant: In het hart van deze transponders zit de Knut-chip. Knut is een stralingsbestendige mixedsignal ASIC die pulsbreedtemodulatie toepast voor de lopende-golfbuisversterkers, speciale vacuümbuizen die microgolfsignalen versterken. Knut werd ontwikkeld in opdracht van TESAT Spacecom, de marktleider in telecom payloads voor satellieten, en gefinancierd met de hulp van DLR, het Duitse onderzoekscentrum voor lucht- en ruimtevaart. Met uitzondering van de digitale functionele beschrijving werd Knut ontworpen, geproduceerd en gekwalificeerd via imec.ic-link. Wij hebben de digitale cell library s geleverd om het digitale gedeelte van de chip stralingsbestendig te maken. Het betreft meer bepaald onze DARE-library s voor de UMC.18um-technologie. Bovendien hebben wij de analoge blokken ontworpen, de chip gesynthetiseerd en de layout ervan bepaald. Vervolgens hielden wij toezicht op de chipproductie bij UMC en deden wij de kwalificatie van de hele partij chips die voor de satelliet werd gebruikt. De lancering brengt ons DARE UMC.18-platform meteen op niveau TLR 9 (Technology Readiness Level). Wij tonen met andere woorden aan bedrijven en instellingen die stralingsbestendige chips nodig hebben, dat imec.ic-link over de kennis, flexibiliteit en oplossingen beschikt om ze in elke fase van hun chiptraject te ondersteunen. De actieve antenne sturen Het tweede grote verschil tussen traditionele communicatiesystemen en RedSAT zit in de antenne. Deze ELectronically Steerable Antenna (ook wel ELSA genoemd) is de eerste dergelijke actieve antenne die voor een commerciële communicatiesatelliet wordt gebruikt. Zo n actieve antenne bestaat uit een reeks kleine fysieke antennes die samen een bundel radiogolven uitzenden die elektronisch gericht wordt, dus zonder dat de antenne fysiek beweegt. Dit is mogelijk door aan de radiosignalen die naar de kleine antennes gaan telkens een verschillende, nauwkeurig berekende faseverschuiving toe te voegen. Dit versterkt de straling van de bundel in de gewenste richting, terwijl de straling in ongewenste richtingen wordt onderdrukt. ELSA wordt bestuurd door een reeks hybride elektronicamodules, die met vier analoge en twintig digitale ASIC s. Het totaal aantal antennechips bedraagt 622 (102 analoge en 520 digitale). Steven Redant: Het gebruik van zoveel ASIC s in één enkele missie is een opmerkelijke doorbraak. En imec heeft hier een belangrijke bijdrage aan geleverd, onder meer door onze hulp bij de ontwikkeling van de twee types antennechips, een opdracht die we kregen van Arquimea, de Spaanse elektronica-integrator. De analoge ASIC werd uitgevoerd in de 0.35um-technologie van On Semiconductor (Oudenaarde, België). Het is een hoogspanningschip waarvoor we de technologie en stralingsbestendigheid verzorgden, het ontwerp evalueerden en de productie beheerden. Arquimea ontwierp en kwalificeerde de chips, die vervolgend door Airbus in de hybride modules werden ingebouwd. De tweede, digitale ASIC werd ook ontworpen door Arquimea en geproduceerd met de 0.18um UMC-technologie, ook nu weer met behulp van de DARE stralingsbestendige digitale cell library s van imec. Wij waren ook verantwoordelijk voor de lay-out en de aanpassing van de IO s aan de vereisten van de hybride module. Wat heeft imec met stralingsbestendige elektronica? Chips die in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt of bijvoorbeeld worden ingezet voor experimenten in hoge-energiefysica kunnen als gevolg van de straling in de omgeving waarin ze functioneren, fouten produceren of zelfs stukgaan. Om ze bestand te maken tegen dergelijke gevolgen van straling moeten ze op een heel specifieke manier worden ontworpen. 36/41

37 En daar loopt het mis, zegt Steven Redant. De kleine volumes waarin chips voor de ruimtevaart worden geproduceerd, zijn commercieel niet interessant voor chipfabrikanten. Veel foundry s die vroeger over specifieke technologieën voor stralingsbestendige ASIC s beschikten, zijn daarom uit die markt gestapt. Om een hoogwaardig alternatief te bieden, hebben wij met de steun van ESA het Design Against Radiation Effects-platform ontwikkeld. DARE is een combinatie van digitale cell library s, methodologische ondersteuning voor analoog ontwerp en het hergebruik van eerder ontworpen analoge IP-blokken. DARE biedt alles wat nodig is om kwalitatief hoogstaande chips voor niet-militaire toepassingen te ontwerpen die moeten functioneren in omgevingen met sterke straling. Onze experts kunnen niet alleen met de beschikbare bouwblokken aan de slag. Zij ontwikkelen op bestelling ook toepassingsspecifieke blokken, steeds met behulp van de beproefde DARE-technieken. Bovendien maken wij ons DARE-platform geschikt voor een reeks technologieën en technologienodes. Voorbeelden hiervan zijn de XFAB.18 XH-technologie voor ruimtevaartprojecten waaraan wij werken, en een reeks bouwblokken in de TSMC-technologieën voor experimenten met hoge-energiefysica. Wij hebben ook een analoge DARE-omgeving voor het I3T80-proces van On Semiconductor ontwikkeld en DAREactiviteiten in de 65nm TSMC-technologie opgestart. Chips ontwerpen is één zaak, maar wat wij ook doen is onze klanten bijstaan wanneer ze op één of ander domein over onvoldoende expertise beschikken. Dat is onze sterkste troef: klanten gespecialiseerde expertise bieden op het traject van idee tot elektronicatoepassing. Denk aan stappen zoals de meest geschikte technologie kiezen, een ontwerp ontwikkelen en evalueren, prototyping en zelfs toegang bieden tot de meest geavanceerde foundry s ter wereld voor volumeproductie. Steven Redant: En zoals we hebben laten zien met de Knut-chips, beschikken wij dus ook over uitgebreide ervaring met evaluatie (ESCC ) en kwalificatie (ESCC9000) voor de ruimtevaart. Dit omvat het ontwikkelen en aanpassen van de hardware voor het screenen van vluchtmodules bijvoorbeeld test load boards, packages en sockets, maar ook het beheer van de hele toeleveringsketen. Meer weten? Soyuz Flight VS16 met Hispasat 36W-1 37/41

38 Biografie Steven Redant Steven Redant begon zijn carrière in 1989 bij imec als ontwerpingenieur voor toepasingsspecifieke chips (ASIC), onder andere voor medische en ruimtetoepassingen. Hij onderwees het gebruik van VHDL als ontwerp- en verificatietaal, en was ook betrokken bij de proof-of-concept van DARE, imecs stralingsbestendig platform. In 2000 werd Steven groepsleider van het chipontwerp-team, waarbij hij de leiding had over de realisatie van het huidige DARE platform. Zijn team levert daarnaast ook diensten voor het ontwerp van chips voor imec s onderzoeksplatformen en voor industriële toepassingen. 38/41