Pieter Edelman
29 jun 2018

Na rf-signaalverwerking in silicium zijn chipmakers langzaam toe aan de volgende stap: golflengtes die de millimeter benaderen. 5g en autonome auto’s zijn in grote mate afhankelijk van dit frequentiegebied. De kersverse KU Leuven-spinoff Tusk IC wil chipmakers helpen met dit specialisme.

2,4 GHz klinkt de meeste mensen wel bekend in de oren – als de frequentieband van wifi. Dat deze communicatietechnologie het voorbije decennium op grote schaal kon worden uitgerold, is grotendeels te danken aan de wet van Moore. Door de toenemende chipsnelheden werd het steeds makkelijker om alle rf-functionaliteit op een enkele goedkoop en massageproduceerd ic te integreren. Dankzij die voortschrijdende technologie kan wifi sinds een paar jaar ook de hogere frequentieband rond de 5 GHz erbij pakken.

Daar blijft het niet bij. Op het moment staat een reeks nieuwe massatoepassingen in de startblokken die op nog hogere frequenties werken. ‘Voor 5g bijvoorbeeld is de band tussen de 24 en 32 GHz belangrijk, en radars voor zelfrijdende auto’s bevinden zich in de band van 76 tot 81 GHz. En in luchthavens heb je die full-body-scanners, die willen nog hoger in frequentie’, vertelt Wouter Steyaert, ceo van de kersverse KU Leuven-spinoff Tusk IC.

Vanuit het hartje van Antwerpen levert Tusk IC design-diensten aan chipontwerpers die aan de slag willen met millimetergolftechnologie – zo wordt het gebied genoemd van dertig tot driehonderd GHz, want daar liggen de golflengtes tussen de centimeter en millimeter. Afgelopen maand kwam de financiering rond, onder meer door ondersteuning vanuit de KU Leuven.

Want de vier oprichters zijn allen voormalig promovendi aan de Leuvense universiteit. Steyaert is de enige die er nog als postdoc werkte sinds zijn promotie vorig jaar, de andere drie waren al uitgewaaierd naar het bedrijfsleven. Ze achten echter de tijd rijp om volop in te zetten in het jonge toepassingsgebied, dus begin dit jaar zegden ze hun baan vaarwel en startten ze Tusk IC.

Tusk IC specialiseert zich in chipontwerp voor zeer hoge frequenties.

Op het kantelpunt van research naar industrie

Niet dat millimetergolftechnologie op zichzelf nieuw is, het frequentiegebied wordt al decennia uitgebuit voor bijvoorbeeld straalverbindingen en radar. Maar tot nog toe moeten die toepassingen discreet worden opgebouwd, wat ze erg duur maakt en alleen beschikbaar voor specialistische toepassingen ‘De eerste mm-wave-chip in standaard cmos werd al wel tien of vijftien jaar geleden gepubliceerd, maar dat was nog erg academisch’, vertelt Steyaert. ‘Nu worden de chips echter klein en snel genoeg om die frequenties tegen een betaalbare prijs te gaan gebruiken. We zitten nu op het kantelpunt tussen research en industriële toepassingen.’

Het is ook gelijk een beetje de reden van het bestaan van Tusk IC, legt Steyaert uit: ‘het komt uit de researchomgeving, dus het zijn nog voornamelijk universiteiten die ermee gewerkt hebben. De grote bedrijven zien nu heel veel mogelijkheden, maar ze hebben moeite om ervaren mensen te vinden die die chips kunnen ontwerpen.’

Want de mm-wave-technologie brengt zijn eigen overwegingen met zich mee. ‘Er treden allerlei effecten op die op lagere frequenties relatief verwaarloosbaar zijn’, legt Steyaert uit. ‘Passieve componenten zoals spoelen en metaalbanen beginnen dezelfde afmetingen te krijgen als de golflengte waarop we werken. Als je nog op een GHz werkt, is een metaalbaan van vijfhonderd micrometer elektrisch zo klein dat je het bij wijze van spreken kan negeren. Maar als je op dertig of honderd gigahertz zit, dan begint het zich te gedragen als een slechte antenne.’

Om daar rekening mee te houden, moet het ontwerp nauwkeurig gemodelleerd en doorgerekend worden. Het ontwerp en de layout kan steeds minder los gezien worden van elkaar. Daar staat wel tegenover dat al dit soort componenten kleiner worden en dus makkelijker op een ic te integreren zijn. ‘Het is een dubbelsnijdend zwaard, je moet wel alles correct gaan karakteriseren en dat is steeds moeilijker naarmate de frequentie toe neemt – en ook steeds belangrijker’, zegt Steyaert

Cmos versus SiGe

Voor zowel rf als millimetergolven zijn er twee verschillende procestechnologieën in zwang: standaard cmos en de combinatie van silicium en germanium. ‘Met cmos kun je meer digitale signaalverwerking doen op je chip. Maar als outputvermogen belangrijk is, als je echt rauwe rf-performance wilt, dan ben je beter af met SiGe’, licht Steyaert toe.

SiGe heeft echter een belangrijk nadeel dat de beoogde massatoepassingen een beetje in de weg zit: het is duurder dan cmos. ‘De evolutie is bijna altijd dat een product eerst in SiGe wordt gemaakt om het concept aan te tonen, maar daarna kijken fabrikanten of het ook in cmos kan. Dat is met de rf-functionaliteit in uw gsm zo gegaan, en bij radars voor auto’s zie je dat nu ook. Cmos is veel goedkoper en je kan veel meer functionaliteit toevoegen dankzij die digitale poot.’

Voor Tusk IC maakt het niet uit welke procestechnologie de klant wil. De oprichters hebben weliswaar allemaal aan cmos-ic’s gewerkt tijdens hun promotieonderzoek, maar sindsdien hebben ze ook ervaring opgedaan met SiGe.

De eerste klanten zijn er ook al, enkele grote chipbedrijven hebben de ontwerpers in de arm genomen. Maar Steyaert denkt dat ze ook dat juist voor kleinere ondernemingen interessant kunnen zijn. ‘Bedrijven die wel interesse hebben in die hoge mm-wave-frequenties maar nog geen ervaring, gaan daar niet komen met een enkele designer, je hebt een bepaalde kritische massa nodig om daarin te kunnen beginnen. Met ons zouden ze dat kunnen kickstarten.’