Bij Holst Centre begint de echte doorbraak pas ná de doorbraak

Een betere coating voor elektrolysers. Fotonische chips die samenwerken met hun elektronische tegenhangers. Laserondersteunde chipassemblage met extreme precisie. Kunstmatige intelligentie die niet alleen aan de edge draait, maar ook helpt bij het ontwerpen van de systemen die haar daarheen brengen.

Op het eerste gezicht gingen de vier pitches van onderzoekers van Holst Centre over totaal verschillende werelden. Waterstof, fotonica, semiconductor packaging en edge AI lijken niet vanzelfsprekend deel uit te maken van hetzelfde verhaal. Toch kwam tijdens de presentaties één duidelijke rode draad naar voren: de technologische toekomst van Europa wordt niet bepaald door één enkele doorbraak in een lab. Die wordt bepaald door de vraag of die doorbraken de overgang naar een echt, betrouwbaar en schaalbaar systeem kunnen overleven.

Precies in die overgang wil Holst Centre het verschil maken, zo bleek tijdens Holst Centres Innovation Day in het Evoluon.

Cassia Santana, Holst Centre, © Bram Saeys

Voor Cassia Santana ligt de uitdaging diep in de hardware van groene waterstofproductie. Proton exchange membrane-waterelektrolysers behoren tot de belangrijkste technologieën om waterstof uit water te produceren. Maar de onderdelen moeten functioneren onder sterk zure omstandigheden en bij hoge elektrische spanningen. Titanium, een veelgebruikt materiaal in poreuze transportlagen, vormt daarbij snel een isolerende oxidelaag. Dat is funest voor de prestaties.

De voor de hand liggende oplossing is een beschermende coating, bijvoorbeeld van platina. Het probleem is dat poreuze transportlagen allesbehalve eenvoudige oppervlakken zijn. Het zijn complexe, driedimensionale structuren met talloze kleine ruimtes die met conventionele coatingmethoden moeilijk gelijkmatig te bereiken zijn.

Santana’s team werkt daarom aan wat het surface-terminated electroplating noemt. De aanpak combineert een gecontroleerde ets-stap met de vorming van een edelmetaalzaadlaag, gevolgd door een elektrodepositieproces waarvan de groei vanzelf stopt op het gewenste moment. Daardoor krijgen de onderzoekers veel meer controle over de dikte, uniformiteit en dekking van de coating, ook diep in een sterk poreuze structuur.

Het resultaat is volgens Santana niet slechts een betere coating. Het is een nauwkeurigere manier om oppervlakken te bewerken op plekken waar conventionele methoden tekortschieten. Bij tests bij 2 volt leverde de gecoate poreuze transportlaag een stroomdichtheid die 30 procent hoger lag dan die van een referentie-oplossing. De volgende uitdaging ligt niet langer in het laboratorium, maar in het bouwen van een productietool die het proces kan automatiseren en marktrijp kan maken.

Chipassemblage

Die overgang van componentinnovatie naar maakbare systemen staat ook centraal in het werk van Riccardo Ollearo. Hij richt zich op geavanceerde chipassemblage, een vakgebied dat steeds belangrijker wordt nu AI de vraag naar meer rekenkracht, hogere bandbreedte en snellere dataverplaatsing opdrijft.

Riccardo Ollearo, Holst Centre, © Bram Saeys

Decennialang leunde de vooruitgang in de chipindustrie vooral op het steeds kleiner maken van transistors. Maar die route alleen is niet langer genoeg. De sector beweegt daarom richting heterogene integratie: gespecialiseerde chips worden samengebracht op één platform, verbindingen worden korter en elektrische signalen maken waar mogelijk plaats voor optische signalen.

Dat klinkt efficiënt in theorie. In de praktijk ontstaat er een nieuw en pijnlijk knelpunt: assemblage.

Hoe dichter chips en fotonische componenten op elkaar worden geïntegreerd, hoe nauwkeuriger ze moeten worden geplaatst. Ollearo spreekt over uitlijnnauwkeurigheden van ongeveer 200 nanometer of minder, terwijl de componenten zelf millimeters groot kunnen zijn. Tegelijkertijd moet het proces op grote schaal en met hoge volumes kunnen draaien. Nauwkeurigheid en doorvoersnelheid zijn zelden makkelijke partners.

Het antwoord van zijn team is laser-induced forward transfer, oftewel LIFT. In eenvoudige termen: laserlicht wordt gebruikt om een component zonder fysiek contact van het ene oppervlak naar het andere te verplaatsen. De methode is ontworpen om schade te voorkomen, alleen de gewenste componenten te plaatsen en doorvoersnelheden te halen die volgens Ollearo minstens honderd keer hoger kunnen liggen dan bij bestaande oplossingen.

Voor fotonica is niet alleen positionering essentieel, maar ook prcisie. Licht dat tussen geïntegreerde chips reist, kan gemakkelijk verloren gaan door verstrooiing of een slechte uitlijning. De aanpak van Holst Centre combineert submicronplaatsing met lijmvrije verbindingen, zodat de optische interface zo schoon mogelijk blijft. Tegelijkertijd opent de techniek de deur naar ongebruikelijke architecturen: componenten verticaal stapelen, ze aan de zijwanden van chips bevestigen en driedimensionale systemen bouwen die gebruikmaken van chipoppervlak dat tot nu toe nauwelijks beschikbaar was voor integratie.

De technologie beweegt nog richting markttoepassing, maar Ollearo liet doorschemeren dat gesprekken lopen met partners in Brabant over een startup, spin-off of joint venture. Dat is precies het moment waarop een technische demonstratie begint te veranderen in een industrieel voorstel.

Monolithische integratie

Jerom Baas vervolgde het verhaal vanuit het perspectief van het ontwerpen van fotonische chips. Photonic integrated circuits kunnen complete optische systemen op een chip zetten, voor toepassingen als lidar, optische transceivers en quantumsensoren. Maar fotonica alleen maakt nog geen werkend product. Het systeem heeft ook elektronische drivers, uitleesfuncties en digitale besturing nodig.

Jerom Baas, Holst Centre, © Bram Saeys

Traditioneel kunnen fotonische en elektronische chips via een printplaat met elkaar worden verbonden. In toepassingen met hoge datasnelheden worden die koperen verbindingen echter steeds vaker een bottleneck. Daarom beweegt de industrie richting co-packaged optics, waarbij elektronica en fotonica samen in één package worden geplaatst. De volgende stap is nog radicaler: monolithische integratie, waarbij beide functies op één chip worden gecombineerd.

Hoe dichter die technologieën bij elkaar worden gebracht, hoe complexer het ontwerp wordt. Thermische effecten, routingbeperkingen, interfaces en layoutkeuzes gaan elkaar allemaal beïnvloeden. Een universele oplossing bestaat niet. Iedere toepassing vraagt om een eigen integratiestrategie.

Voor Baas is elektronische-fotonische co-design daarom net zo goed een menselijke als een technische uitdaging. Fotonische ontwerpers en elektronische ontwerpers moeten, zoals hij het verwoordde, leren om “elkaars taal te spreken”. De kracht van Holst Centre zit volgens hem precies in het samenbrengen van die disciplines op één plek en in het omzetten van die samenwerking tussen vakgebieden in een praktisch ontwerpproces.

Toekomst van AI

Marzieh Hashemipour-Nazari trok de lijn nog verder door, richting de apparaten die uiteindelijk al die rekenkracht moeten gebruiken. De toekomst van AI, stelde zij, kan niet uitsluitend in enorme cloud-datacenters blijven liggen. AI moet ook verhuizen naar kleine, energiezuinige apparaten aan de edge: systemen die direct reageren, privacy beschermen en functioneren binnen strenge energiegrenzen.

Marzieh Hashemipour-Nazari, Holst Centre, © Bram Saeys

Slimme brillen zijn daarvan een goed voorbeeld. Zo’n apparaat moet contextbewust zijn, snel reageren en voortdurend beschikbaar zijn. Maar het bouwen ervan is niet simpelweg een kwestie van een AI-accelerator toevoegen aan een chip. Het vraagt om een systeembenadering waarin laag energieverbruik, lage vertraging, connectiviteit, betrouwbaarheid en verificatie samenkomen.

Dat creëert een enorme ontwerpwereld. En met de toenemende druk om de time-to-market te verkorten, zijn traditionele ontwerpflows niet langer voldoende. Hashemipour-Nazari betoogde dat AI daarom zelf onderdeel moet worden van het ontwerpproces. De rol van de ontwerper verschuift van het handmatig uitvoeren van iedere stap naar het begeleiden, beoordelen en versnellen van systemen die kunnen helpen bij het verkennen, implementeren en optimaliseren van ontwerpen.

Haar waarschuwing was minstens zo belangrijk: de sector moet AI “slim gebruiken, niet blind”. AI kan een ontwerppartner worden, maar geen vervanger van technisch oordeel. Het toekomstige edge-apparaat wordt dus gevormd door twee soorten intelligentie: de AI in het product en de samenwerking tussen mens en AI waarmee dat product wordt ontworpen.

Ongemakkelijke en veeleisende stappen

Samen laten de vier pitches zien waar Holst Centre in essentie aan werkt. Niet aan losse uitvindingen, maar aan de ongemakkelijke en veeleisende stappen die bepalen of een uitvinding kan uitgroeien tot infrastructuur, een product of een nieuwe industrie.

Een waterstofsysteem faalt wanneer de coating niet op de juiste plekken terechtkomt. Een fotonische chip stelt teleur wanneer licht en elektronica niet goed kunnen samenwerken. Geavanceerde packaging komt nergens wanneer precisie niet kan worden gecombineerd met snelheid. Edge AI blijft een belofte wanneer het volledige systeem niet op tijd ontworpen, geverifieerd en geproduceerd kan worden.

De doorbraken beginnen misschien in het lab. Maar bij Holst Centre draait het harde werk vooral om de vraag of ze dat lab ook daadwerkelijk kunnen verlaten.