Innovatie Wetenschap Technologie

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 1

IWT-Studies

IWT-Observatorium

Innovatie Wetenschap Technologie 44

De intelligente omgeving: de noodzaak van convergerende technologieën en een nieuw businessmodel

KATRIEN MARENT JAN WAUTERS JOHAN VAN HELLEPUTTE

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 2

COLOFON

IWT-Studies worden uitgegeven door het IWT-Vlaanderen in het kader van het werkprogramma van het IWT-Observatorium. De auteurs zijn echter persoonlijk verantwoordelijk voor de standpunten die worden ingenomen bij de uitwerking van deze Studies. Redactie Ann Van den Bremt (secretariaat) Jan Larosse (coördinatie) Productie N’lil Copyright reproductie en gebruik is toegestaan mits bronvermelding.

IWT-Observatorium Jan Larosse, Coördinator Donald Carchon, Informatiesysteem Ann Van den Bremt, Secretariaat

Bischoffsheimlaan 25 1000 Brussel Tel.: 02/209 09 00 Fax: 02/223 11 81 E-mail: [email protected] Web-site: http://www.iwt.be Depotnummer: D/2003/7037/2 Verschenen in maart 2003

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 3

IWT-STUDIES > >> 44

INHOUD

I N H O U D S TA F E L

3

ENGLISH ABSTRACT

4

V O O RW O O R D

7

INLEIDING

9

1. DE SLIMME OMGEVING

11

1.1 Concept 1.1.1 Het mobiele Internet van vandaag en morgen 1.1.2 De toekomst wordt intelligent

11 11 12

1.2 Technologische trends en uitdagingen 1.2.1 Communicatie is draadloos 1.2.2 Sensoren op en in het lichaam 1.2.3 Krachtiger chips

14 14 17 20

1.3 De opkomst van nieuwe ‘disruptive’ technologieën:

top-down en bottom-up nanotechnologie 1.3.1 Technologische ontwikkelingen in de nanowereld 1.4 De noodzaak van convergerende technologieën 1.4.1 Technologische kruisbestuiving 1.4.2 Naar een transformatie van wetenschap en technologie

door convergentie 2 . E E N N I E U W T E C H N O L O G I E P L AT F O R M

24 26 28 28 29 30

2.1 De waarde van kennis

30

2.2 Een veranderende onderzoeksomgeving

31

2.3 De levenscyclus van technologie

31

2.4 Een nieuw businessmodel

32

2.5 Industrie in transformatie 2.5.1 De micro-& nano-elektronicasector 2.5.2 Convergerende industrieën

36 36 37

2.6 Het uitdeiningseffect

37

3. CONCLUSIES

39

BIJLAGE: LEXICON

41

3

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 4

ENGLISH ABSTRACT

“The smart environment, where technologies converge” The question whether we are entering a new era where ambient intelligence will become a reality of our daily life, is already being answered by the emergence of many new products and services in recent years. The rapid transition to all sorts of wireless communications, the emergence of smart agents and the integration of micro-electromechanical systems (MEMS) in new devices are clear signs of this evolution. In the future, technology will adapt itself to us, rather than that we have to adapt ourselves to new technology. User-friendly access to information and electronic services, any time of the day or night, from any place, will become trivial and part of our life. A smart environment The smart environment, or in other words the era of ambient intelligence, will be characterized by computing devices which sense the environment and which are connected with each other through wireless communication. These intelligent devices will become a reality thanks to the following technologies: portable, high-performant and miniaturized computer systems present everywhere, seamless wireless communication, user-friendly interfaces (such as speech recognition[m1]) and a distributed network of micro-electromechanical systems and sensors, including biosensors. In the next decade, a digital assistant will be at our disposal that will offer a variety of services such as multimedia, communication, global positioning, health monitoring, ambient analysis, etc. This assistant will be capable of adapting itself in real time to certain functionalities that are required by its owner. This demands a high degree of reconfigurability. In addition, each person will carry a number of tiny sensors, in his/her clothes or even implanted in his/her body, to monitor certain body functions. These sensors will be combined in one single body area network (BAN), connected with the digital assistant, which in turn will be able to communicate with the person’s physician or hospital if necessary.

4

Technology challenges One of the cornerstones of this smart environment is with no doubt wireless communication. Universal access and interactivity necessitate a sophisticated data network that originates from the convergence of wired and wireless telephony, Internet, WLAN, gps and satellite (UMTS) communication. More bandwidth than exists today is necessary, but also harmonization of communication protocols and data software, increased functionality and miniaturization of mobile interface systems, and reduced power consumption. In order to realize a body area network of sensors, many technological challenges have to be tackled first: ultra low power consumption, maximum integration and a dedicated user interface are only a few. Each sensor should have an autonomous energy source, e.g. flexible plastic solar cells or power-MEMS. Biosensors are being developed, but still some technological challenges need to be met. Perhaps the most important challenge stems from the integrated circuit (IC) or chip. The continued miniaturization of the IC’s building block, the transistor, in combination with new and creative methods to design complex chips, enables to develop ever more performant integrated circuits. This in turn allows electronics manufacturers to develop and commercialise new electronic products with more functionality and the possibility for new services. With the continued miniaturization trend of semiconductor technologies, predicted by the International Technology Roadmap for Semiconductors, we have entered the nanotechnology era (with typical dimensions below 100nm). Physical limits of conventional materials and transistor structures have been reached, resulting in huge challenges for developing next-generation IC production technologies. At the same time, the exponential increase in IC complexity is creating unprecedented challenges to efficiently design these highly complex ICs. New design methodologies at high abstraction level, in large part based on reuse of intellectual property, and reconfigurability are necessary to keep up with the trend.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 5

IWT-STUDIES > >> 44

Converging technologies

A new business model

Nanoelectronics will create a transition in our society. The architects of this society being physicists, engineers, chemists, physicians, scientists from many disciplines, will cooperate with societal experts to create this. The convergence between nanotechnology, biotechnology, information technology and human cognitive sciences will be one of the most important scientific phenomena in the next decades. It will improve human performance and will have a tremendous impact on all economical activities.

Therefore, the industry is gradually leaving a traditional intellectual property model where research and development was carried out inside the company, with exclusive property rights on the results. The growing complexity and increasing cost of R&D forced companies to outsource part of their research, albeit often still receiving exclusive ownership on the results. More and more however, generic technology development is carried out in R&D collaboration schemes in which intellectual property is shared among the participants. IMEC’s Industrial Affiliation Program is an excellent example of this. Today, the concept is recognized worldwide as a very successful way of collaboration in R&D for new generations of generic technologies, applicable to a broad range of industrial partners.

The value of knowledge The implementation of intelligence in all sorts of (new) products and (new) services changes the way business is done. Knowledge has become a product as such, with a certain added value, and can be sold many times. The value of knowledge is determined by the degree in which it contributes as a differentiator of a product or service, in comparison with competing products or services. The market value of knowledge typically decreases fast over time, and market introduction at the right window of opportunity is crucial. Reuse of intellectual property plays a significant role in this perspective, as it allows to increase productivity and reduce time-to-market. Business models will have to be adapted or re-designed to follow this evolution. The increasing complexity of new technologies therefore urges companies to join forces and cooperate in research and development, based on a sharing principle: sharing of cost, talent, risk and knowledge. The semiconductor industry is an excellent example of the trend towards global cooperation. Next to a consolidation and clustering of IC production, due to exponentially increasing capital spending, a clustering can be observed in research and development, resulting in a limited number of research platforms worldwide. These research platforms focus especially on generic technological challenges every company has to deal with in its product development.

5

IP fingerprint The major challenge for each company is to obtain a unique portfolio of intellectual property, a so-called IP fingerprint. This portfolio is a combination of intellectual property, developed internally and owned exclusively by the company, and co-owned intellectual property, developed in joint R&D programs. This combination offers a unique competitive differentiator to the company and allows to choose the right strategic options for commercialisation routes. Industry in transition Changing business models are starting to have a profound effect on the industries they are affecting. New markets give rise to new players and force incumbents to react or disappear. The increasing complexity and costs associated with IC development changes the semiconductor industry radically. The consolidation in IC production is accompanied by the appearance of vertical des-integration of electronics system houses. Many parts of the semiconductor value chain are outsourced: IC production, design, software development, etc. At the same time, the des-integration leads to strategic alliances between the different players in the value chain, resulting in

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 6

a “virtual re-integration”. This fits perfectly in IMEC’s business model of global partnerships in research and development. The convergence of technologies creates opportunities for new products and services, combining different domains: materials and production, nanoelectronics and computer technology, health care and medicine, ecology and energy, etc. Finally, the impact of these new technologies will continue to spread through all

6

industrial activities. New ICs drive the electronics industry, from computers and cellular phones to industrial electronics systems, which in turn form a functional backbone of many other industries: manufacturing equipment, biotech systems, weather forecasting, environmental monitoring, process automation, fishing, textiles, and so on. In this way, it is clear that research and development in new technologies will remain the cornerstone of the future of our industry.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 7

IWT-STUDIES > >> 44

V O O RW O O R D

Met de Dag van de Technologie op 30 maart 2003 heeft de Vlaamse Regering een nieuw initiatief gelanceerd om de publieke opinie te sensibiliseren voor het strategisch belang van investeringen in Onderzoek & Ontwikkeling en innovatie. Deze publicatie is een bijdrage tot deze sensibilisatie, als co-productie van IWT en IMEC. De idee van deze studie komt voort uit een lezing die Johan Van Helleputte, directeur Strategie van IMEC, eerder in het jaar voor de IWT-adviseurs is komen geven. De oprichting van IMEC in 1984 is zelf een voorbeeld van een strategische investering van de Vlaamse regering in het toekomstpotentieel van Vlaanderen. Nu, 19 jaar later, is IMEC uitgegroeid tot het belangrijkste onafhankelijke onderzoekscentrum op het gebied van de micro-elektronica, nanotechnologie en ICT-systemen in Europa. Met deze Studie schetst IMEC de uitdagingen voor de komende 10 tot 20 jaar. In de periode na 1985 heeft ICT de bedrijfsprocessen omgegooid en is de PC in de huiskamer binnengedrongen. Tegen 2015 heeft de micro-elektronica het dagelijks leven geherconfigureerd in een ‘slimme omgeving’ waarin we op een andere wijze zullen werken, consumeren, ons verzorgen, met elkaar communiceren. In de huidige periode van economische crisis, na het ineenschrompelen van de internetbubble van de late jaren negentig, worden verhalen over nieuwe technologische revoluties minder vlot aanvaard dan in de vorige periode van techno-hype, ook al onderscheiden ze zich door een wetenschappelijke onderbouw. Nochtans zijn dergelijke ‘Toekomstverkenningen’ een wezenlijk onderdeel van een toekomststrategie. Zij combineren een wetenschappelijke evaluatie van de mogelijkheden en limieten van de huidige trends op technologisch, economisch en maatschappelijk vlak met een visie, een kijk op de toekomst als een – toch ten dele – maakbaar project. De term ‘slimme omgeving’ of ‘ambient intelligence’ is van vrij recente datum, ontstaan binnen de context van het programma voor de Europese Informatiemaatschappij, maar gaat terug op het concept ‘ubiquitous computing’ (of ‘alomtegenwoordige com-

7

puting’) dat door Mark Weiser werd ontwikkeld aan het Computer Science Lab in Xerox PARC (Palo Alto). Reeds in 1988 had hij een visie op ‘onzichtbare computers’, ingebed in de gebruiksomgeving. Na de eerste golf van main frame computing, gedeeld door vele mensen, kwam het tijdperk van personal computing, waarbij mens en machine elkaar ongemakkelijk aanstaren over de bureautafel. Nu komt volgens Mark Weiser een nieuw tijdperk van ‘calm technology’, met technologie die op de achtergrond verdwijnt maar daardoor alomtegenwoordig wordt. Nochtans is deze ambient intelligence geen technology push zoals virtuele realiteit. “Ubiquitous computing is roughly the opposite of virtual reality. Where virtual reality puts people inside a computer-generated world, ubiquitous computing forces the computer to live out here in the world with people.”, cfr Mark Weiser. Virtual reality is vooral een probleem van rekenkracht; ambient intelligence is de moeilijke integratie tussen menselijke factoren, computerwetenschappen, engineering en sociale wetenschappen, waarin computers natuurlijke verlengstukken worden van onze menselijke leerervaring. Het is in dit nieuwe paradigma dat IMEC zich inschrijft. Het verhaal van de ‘slimme omgeving’ is een mobiliserend verhaal, ook al zijn de ingrediënten soms kurkdroge beschrijvingen van de stand van wetenschap en techniek. De visie van IMEC blijkt uit de verbinding van deze elementen tot een strategie voor het handelen. In tijden van onzekerheid zijn zulke visies een schaars gegeven omdat zij het immobilisme kunnen doorbreken en helpen keuzes te maken. Want indien die keuzes niet tijdig gemaakt worden is er wellicht geen toekomst. De Vlaamse regering heeft onlangs beslist om 37 miljoen euro te investeren in nieuwe onderzoekslaboratoria die IMEC in staat stellen mee te gaan met de miniaturisatie van de volgende generatie IC’s. Voor de ontwikkeling van nieuwe chipprocestechnologieën met afmetingen kleiner dan 45 nanometer en om de uitdagingen te kunnen aangaan in nanotechnologie moet de capaciteit van IMEC's clean room uitbreiden. Maar met deze visie op de slimme omgeving mikt IMEC nog verder,

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 8

voorbij het tijdperk van de silicium halfgeleiders, op een nieuw technologieplatform op nanoschaal dat alle bestaande industrieën op een nieuwe leest zal schoeien. Het Vlaams innovatiebeleid heeft een belangrijke optie genomen op de toekomst door de Europese 3% norm te implementeren. Het Innovatiepact voorziet middelen

8

om te investeren. Een even belangrijke optie is de oriëntatie van deze middelen en de productiviteit van deze investeringen. Daarvoor is een maatschappelijke discussie nodig over mogelijkheden en opportuniteiten. En in eerste instantie over visies.

Paul Zeeuwts, Directievoorzitter

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 9

IWT-STUDIES > >> 44

INLEIDING

Een blik in de (intelligente) toekomst Ambient intelligence, smart environment, pervasive and ubiquitous computing, de intelligente omgeving: het zijn allemaal synoniemen die het nieuwe technologische tijdperk omschrijven dat vanaf 2010 ons dagelijks leven danig zal veranderen. Vandaag al bevinden we ons in de aanloopfase naar deze intelligente toekomst. Denk maar aan de vele nieuwe producten en diensten zoals de gecombineerde mobilofoon-pda of - bankverrichtingen via mobilofoon. De trend naar draadloze, slimme toepassingen waarin micro-elektromechanische systemen (MEMS) en sensoren ingebouwd zijn, is al ingezet. Wat we vandaag zien, is nog maar een voorsmaakje. In de intelligente omgeving omringen honderden computers ons en staan ons onzichtbaar maar zeer efficiënt bij in het dagelijkse leven. Zo zullen we op een uiterst gebruiksvriendelijke manier, overal ter wereld en op elk ogenblik informatie kunnen opvragen en elektronische diensten kunnen gebruiken. Een voorwaarde om dit onzichtbaar te integreren in ons dagelijks leven is dat de computers meer menselijk worden, met bv. een meer natuurlijke gebruikersinterface gebaseerd op animatie en spraakherkenning. Een verdoorgedreven integratie is ook een absolute noodzaak hiervoor. Slimme, draadloze toestellen rondom, een digitale assistent en een sensornetwerk op het lichaam In de slimme omgeving worden minuscule computers ingebouwd in alle toestellen, die bovendien draadloos met elkaar communiceren en reageren op prikkels uit de omgeving. Het realiseren van zulke intelligente toepassingen vereist volgende technologieën: draagbare, uiterst performante en geminiaturiseerde computersystemen overal rondom ons, draadloze communicatie die naadloos kan overschakelen tussen verschillende systemen, gebruiksvriendelijke interfaces en een verspreid netwerk van MEMS en (bio)sensoren. Elk van ons zal beschikken over een digitale assistent met een brede waaier aan mogelijkheden: multimedia, communicatie, gps, analyse van de gezondheidstoestand en de

9

omgeving enz. Deze assistent zal zich op elk ogenblik kunnen aanpassen aan de noden van zijn gebruiker. Dit vereist herconfigureerbaarheid van het systeem. Naast deze digitale assistent zal iedereen ook een netwerk van ultrakleine sensoren dragen. Geïntegreerd in kleding of ingeplant in het lichaam meten deze sensoren bepaalde lichaamsfuncties. Beide systemen, de digitale assistent en het sensornetwerk zullen gecombineerd worden in een body area network dat op zijn beurt kan communiceren met de buitenwereld, bv. de dokter of het ziekenhuis. Technologische uitdagingen Eén van de onmisbare bouwstenen van deze intelligente omgeving is draadloze communicatie die aan heel wat voorwaarden moet voldoen: universele toegang en interactiviteit die een gesofisticeerd datanetwerk vereisen dat een combinatie zal zijn van draad- en draadloze telefonie, internet, wireless local area networks, gps en satellietcommunicatie; een grotere bandbreedte; harmonisatie van communicatieprotocols en datasoftware; uitbreiding van de functionaliteit en miniaturisatie van de draagbare communicatiesystemen en tenslotte een verlaging van hun vermogenverbruik. Het sensornetwerk dat we op ons lichaam zullen dragen, vereist technologische ontwikkelingen voor o.a. een ultralaag vermogenverbruik, maximale integratie en een aangepaste gebruikersinterface. Bovendien zal elke sensor over een autonome energiebron beschikken. Plooibare plastiek zonnecellen en vermogen-MEMS worden in deze context bestudeerd. De biosensoren die vandaag al ontwikkeld worden, zijn een voorloper van de sensoren uit de intelligente omgeving. Misschien wel de grootste technologische uitdaging is het maken van nog meer performante chips die nodig zijn voor de elektronische producten en diensten van de toekomst. Hiernaar wordt gestreefd door een ver doorgedreven miniaturisatie van de transistor, de essentiële bouwsteen van een chip, in combinatie met innovatieve ontwerpmethodes voor complexe chips. Deze miniaturisatie gaat zelfs al zo ver dat men niet meer spreekt van micro-elektronica, maar van nano-elek-

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 10

tronica, waarbij transistoren met typische afmetingen kleiner dan 100nm gebruikt worden (een nanometer is een duizendste van een micrometer). In deze nanowereld kunnen conventionele chipmaterialen en transistorstructuren echter niet meer betrouwbaar gebruikt worden, waardoor grote technologische uitdagingen ontstaan. Tegelijkertijd zijn nieuwe methodes nodig om uiterst complexe chips op een efficiënte manier te ontwerpen. Nieuwe ontwerpmethodes die vertrekken van een systeembeschrijving op hoog abstractieniveau zullen voornamelijk gebaseerd zijn op hergebruik van intellectueel eigendom (IP). Technologie om systemen te herconfigureren zodat ze zich kunnen aanpassen aan de gebruiker wordt ook een absolute noodzaak. Nano-elektronica op het grensvlak van verschillende disciplines De overgang van micro- naar nano-elektronica impliceert een ware verandering in denkwijze. Het zijn niet langer micro-elektronici die de nieuwste snufjes ontwikkelen, maar een team van elektronici, fysici, ingenieurs, chemici, biotechnologen en medici. Deze ‘architecten’ van de toekomst zullen samen met sociologen de mogelijkheden bekijken van één van de belangrijkste wetenschappelijke trends van de komende jaren: het samengaan van nanotechnologie, biotechnologie, informatietechnologie en cognitieve wetenschappen. Een nieuwe denkwijze ook in het bedrijfsleven Traditioneel gebeurden O&O(onderzoek en ontwikkeling)-activiteiten binnen de muren van een bedrijf waardoor ook de resultaten exclusief eigendom ervan waren. Door de toegenomen complexiteit van de nieuwe technologieën besteden meer en meer bedrijven (een deel van) hun onderzoeksactiviteit uit aan gespecialiseerde onderzoekscentra. In het besef dat meerdere bedrijven met dezelfde technologische uitdagingen kampen, worden zelfs gezamenlijke O&O-projecten opgestart waarin generische technologieën ontwikkeld worden.

10

Deze evolutie impliceert wel dat het intellectueel eigendomsrecht niet langer exclusief tot één bedrijf behoort. De uitdaging is nu dat elk bedrijf een unieke IP-vingerafdruk samenstelt bestaande uit niet-exclusieve eigendomsrechten op generische technologieën en exclusieve eigendom op bedrijfs- en productspecifieke knowhow. IMEC is ideaal geplaatst als onafhankelijk onderzoekscentrum om bedrijven samen te brengen rond de verschillende technologische uitdagingen. Met dit doel werden de industriële affiliatieprogramma’s uitgebouwd, de zogenaamde IIAP’s. Dit unieke concept wordt wereldwijd erkend als een succesvolle manier voor gezamenlijk O&O. De uitbesteding in de IC-industrie gaat verder dan deze O&O-activiteit. Terwijl vroeger het volledige proces, van chipontwerp over productie tot verpakking, volledig binnen hetzelfde IC-bedrijf gebeurde, worden nu bepaalde onderdelen van de productieketen uitbesteed. Men spreekt in dit verband van verticale desintegratie. De gespecialiseerde bedrijven die nu een bepaald onderdeel van de keten op zich nemen (bv. chipontwerp, software ontwikkeling), gaan strategische allianties aan met de andere spelers. Zo gaat de verticale desintegratie over in een virtuele reïntegratie. Een nieuw industrieel weefsel De convergentie van technologieën zal nieuwe producten en diensten doen ontstaan die een combinatie zijn van verschillende domeinen: nano-elektronica en computertechnologie, gezondheidszorg en geneeskunde, ecologie en energie enz. Tenslotte zal de impact van deze nieuwe technologieën zich voortzetten in alle industriële activiteiten. Nieuwe chips sturen de elektronica industrie, gaande van computers en mobilofoons tot industriële elektronische systemen. Deze zullen op hun beurt een functionele ruggengraat vormen van vele andere industrieën: chipproductie, biotechnologie, weersvoorspellingen, screening van de omgeving, procesautomatisatie, visnijverheid, textielindustrie enz. Het is duidelijk dat onderzoek en ontwikkeling in nieuwe technologieën de hoeksteen zal blijven van onze industrie.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 11

IWT-STUDIES > >> 44

Hoofdstuk 1

DE SLIMME OMGEVING

> 1.1 CONCEPT 1.1.1 Het mobiele Internet van vandaag en morgen

Het Internet is de ruggengraat geworden voor het transport van wereldwijde datacommunicatie. Heel snelle servers en routers, performante netwerkbeheersystemen en gedistribueerde dataopslagsystemen maken het Internet tot wat het is vandaag, een wereldwijd publiek informatienetwerk. Meer en meer ziet men dat mensen zowel hun PC als verschillende mobiele apparaatjes (zoals mobilofoon, pda, enz.) gebruiken als toegangspoort tot het Internet. Maar de gebruiksvriendelijkheid laat in veel gevallen nog te wensen over. Mensen worden overstelpt met informatie waaruit men moeilijk de voor hen relevante data kan halen. De huidige mobiele Internet toestelletjes beschikken over een heel beperkte bandbreedte waardoor het te lang duurt voor de informatie op een gebruiksvriendelijke wijze beschikbaar is. Zeker wanneer er multimediadata (foto’s, FIGUUR 1 >

videobeelden, …) doorgestuurd wordt. Het is dan ook duidelijk dat slimme agenten, die een eerste verwerking en interpretatie doen van de informatie, en een grotere bandbreedte voor mobiele toepassingen, van primordiaal belang zijn om van het huidige mobiele Internet een gebruiksvriendelijke technologie te maken. Dan pas zal iedereen op elk ogenblik van de dag en op elke willekeurige plaats kunnen genieten van de diensten van het mobiele Internet. Men kan evenwel nog een stap verder gaan en rond iedere persoon een ‘wolk van intelligentie’ creëren die op een gebruiksvriendelijke en permanente wijze in een dynamische dialoog treedt met een ‘slimme omgeving’. Met deze ontwikkelingen betreedt men de volgende stap in de evolutie van ICT (informatie- en communicatietechnologie), de intelligente omgeving of ‘ambient intelligence’. Deze (r)evolutie zal mogelijk zijn door talrijke doorbraken in het domein van systeemontwerp en de micro-elektronica, die met rasse schreden het nanotechnologietijdperk aan het betreden is.

Evolutie naar de intelligente omgeving.

10

1 Personal assistants

PC 1

Computer power

1990

1995

chips/device Ambient Intelligence

>100 #

Personalized devices

2000

11

2005

devices/person

Accessing the smart environment

2010

2015

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 12

HOOFDSTUK 1 > De slimme omgeving

1.1.2 De toekomst wordt intelligent

‘Ambient intelligence’, ‘smart environment’, ‘pervasive/ubiquitous computing’, intelligente omgeving, het zijn allemaal synoniemen die het nieuwe technologische tijdperk omschrijven dat gradueel werkelijkheid zal worden in de komende 10 jaar (2005-2015). In dit nieuwe computertijdperk zullen computersystemen (letterlijk en figuurlijk) naar de achtergrond verdwijnen terwijl de mens naar de voorgrond zal verschuiven om zo de kwaliteit van het dagelijkse leven te verbeteren. In de toekomst zal de technologie zich dus meer aanpassen aan de mens en zich ten dienste stellen van het comfort van de mens, daar waar in het verleden de mens zich steeds opnieuw sterk diende aan te passen aan de snel-wijzigende technologieën. Men zal dan op elk ogenblik van de dag en op elke willekeurige plaats op een gebruiksvriendelijke en transparante manier snel toegang krijgen tot informatie en elektronische diensten. Terminals zullen evolueren tot ware, draagbare digitale assistenten voorzien van verschillende multimediatoepassingen en interactiemogelijkheden met een slimme omgeving. Daarnaast zullen intelligente sensoren op en desgevallend ook in het lichaam gedragen worden en de mens informeren over zijn omgeving en gezondheid. Hun intelligentie maakt dat ze situaties kunnen interpreteren en bijsturen. Ze zullen op nooit geziene wijze hun toepassing vinden in sport, gezondheidszorg en het verhogen van de levenskwaliteit. 1

bv. tussen de hart-

Kenmerken van de intelligente omgeving:

slagmeter van een marathonloper en de pc van de coach thuis of tussen een klein toestel dat een analyse maakt van een bloed-

• Rekenkracht overal, in alle toestellen; • Overal met mekaar verbonden via draadloze communicatie; • Bewustzijn van de omgeving (“context awareness”).

druppel van een diabetes patiënt en draadloos het resultaat daarvan doorstuurt naar een ingeplant insulinepompje dat dan de exacte nodige dosis insuline in het lichaam vrijgeeft.

Deze intelligente ‘hulpmiddelen’ van de toekomst kunnen maar werkelijkheid worden op basis van vier technologieën: (1) draagbare, uitermate sterk geminiaturizeerde computersystemen die overal in de omgeving aanwezig zijn (bv. in kleding, bril, schoenen, …); (2) draadloze communicatie tussen de verschillende systemen (3) 1

12

gebruiksvriendelijke en meer natuurlijke interface bij voorkeur via spraakherkenning i.p.v. via een toetsenbord of via sensoriële gewaarwording en (4) een verspreid netwerk van MEMS (micro-elektromechanische systemen), nEMS (nano-elektromechanische systemen) en allerlei sensoren, met een bijzondere aandacht ook voor biosensoren. In 2010 zal iedereen een digitale assistent, te vergelijken met een mobilofoon, dragen. Deze assistent zal een waaier aan functies bieden zoals zeer verschillende multimediaen communicatietoepassingen, positioneringsystemen (zoals gps) enz. Het zal tevens input ontvangen over de gezondheid van de eigenaar en gegevens over de omgeving, op basis van een informatieprofiel van de eigenaar, zodat de eigenaar niet nodeloos informatie ontvangt over onderwerpen waarvoor hij/zij minder interesse heeft. Het zal de eigenaar naadloos in verbinding stellen met de buitenwereld via satellieten, mobilofoonmasten, basisstations voor draadloze lokale netwerken en met digitale assistenten van andere personen in een ad-hoc netwerk, naargelang de omstandigheden. Erg belangrijk hierbij is dat een dergelijke digitale assistent in staat zal zijn om zich in reële tijd aan te passen aan een bepaalde functionaliteit die op een bepaald ogenblik door zijn eigenaar gevraagd wordt. Het zal dus herconfigureerbaar zijn. Hierdoor vermijden we dat ze voor iedere functionaliteit een ander soort digitale assistent dienen aan te spreken, zoals dit vandaag het geval is. We wensen in de toekomst immers niet met een honderdtal dergelijke slimme toestelletjes rondom ons lichaam rond te lopen! Daarnaast zal iedere persoon ook een aantal lichaamssensoren dragen op zijn lichaam, in zijn kleren of zelfs geïmplanteerd, om verschillende cruciale lichaamsfuncties te monitoren. Deze sensoren zullen eerder een proactieve rol spelen dan een genezende functie vervullen. Al deze sensoren zullen met elkaar verbonden zijn in een “body area network” (BAN). Dit netwerk zal in verbinding staan met de digitale assistent en zo informatie kunnen leveren aan de eerstelijnsarts over de gezondheidstoestand van de eigenaar. De digitale assistenten zullen, voor meer tri-

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 13

IWT-STUDIES > >> 44


viale toepassingen, kunnen communiceren met elkaar, informatie verwerken en uitwisselen met andere digitale assistenten of met een slimme omgeving, zonder dat de persoon in kwestie hiervoor gestoord dient te worden. Een typisch voorbeeld hiervan is het uitwisselen van gegevens die op een “business card” staan als personen elkaar voor het eerst ontmoeten. Dergelijke gegevens zullen direct in het databestand van de ander kunnen opgeslagen worden. Een gelijkaardig voorbeeld is wanneer we in de toekomst een slimme grenspost voorbijgaan, dan zullen we niet langer ons paspoort dienen af te geven, maar zal een gelijkaardige informatie automatisch uitgewisseld worden met de slimme grenspost. Alleen wanneer iemand gezocht wordt, zal hij of zij daar iets van merken. FIGUUR 2 >

sluiten op draadloze locale netwerken (WLANs), satellieten of draadloze netwerken (WANs), wanneer dit maar nodig is en dit op de meest efficiënte (goedkoopste) wijze. De slimme agenten die in de digitale assistenten en de slimme omgeving geïntegreerd zullen zijn, zullen grote hoeveelheden informatie verwerken en interpreteren, gebaseerd op gebruikersprofielen, vooraleer een persoon betrokken wordt in het informatie- en beslissingsnemingsproces. Het spreekt voor zich: databeveiliging, privacy reglementering, vertrouwen en betrouwbaarheid van de uitgewisselde informatie, zullen uitermate belangrijk worden als voorwaarde voor de mens om zich open te stellen voor een dergelijke (r)evolutie. Daar wordt dan ook zeer veel aandacht aan besteed.

Medisch body area network (BAN).

De ultieme (r)evolutie naar de intelligente toekomst zou er als volgt kunnen uitzien: de hele omgeving – gebouwen, wegen infrastructuur, auto’s, meubels, kleren, de meeste producten, … – zal intelligent worden, waardoor onze digitale assistenten met de omgeving zullen kunnen communiceren en automatisch zullen kunnen aan-

13

Eén van de belangrijkste eigenschappen van de digitale assistent en het sensornetwerk is de nood tot laag (mW) en zelfs extreem laag (µW) energieverbruik. Dit zal een grote uitdaging worden aangezien hun vermogen om verschillende dynamische toepassingen te draaien en zich aan te passen aan het menselijk gedrag, juist veel

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 14


rekenkracht vereist. Een vermogenefficiëntie van maar liefst 10 tot 50 miljoen operaties per seconde per milliwatt is vereist voor de digitale assistenten die op batterijen zullen werken en 100 miljoen operaties per seconde per milliwatt voor het sensornetwerk dat gebruik zal maken van nieuwe energiebronnen zoals flexibele zonnecellen en vermogen-MEMS. Het is wel duidelijk dat een breed gamma van technologieën zal nodig zijn om dergelijke intelligente platformen te realiseren. Multidisciplinair onderzoek is dan ook een noodzaak om de intelligente omgeving van morgen werkelijkheid te laten worden.

> 1.2 TECHNOLOGISCHE TRENDS EN UITDAGINGEN 1.2.1 Communicatie is draadloos

In onze maatschappij zijn mobiliteit en mobiele/draadloze communicatie niet meer weg te denken. Het grote succes van de mobilofoon heeft een eigen cultuur doen ontstaan, waarin voortdurend ‘gegsmd’, FIGUUR 3 >

Globaal systeem voor de intelligente omgeving.

14

‘gesmst’ en ‘gewapt’ wordt. We hebben er zelfs nog geen officieel aanvaarde woorden voor. Naast spraak kan nu immers ook data en multimedia, op heden nog met zekere beperkingen, draadloos verstuurd worden. Eén van de fundamenten van de slimme omgeving van de toekomst, is een nog verder doorgedreven draadloze communicatie. Plaatsgebonden communicatie zal volledig evolueren naar persoonsgebonden communicatie. Ieder zal een persoonlijk lichaamsnetwerk (“Wireless Personal Area Network of WPAN”) met zich meedragen dat bestaat uit bv. een organizer, mobilofoon/gps en computer die draadloos en zonder tussenkomst van de gebruiker met elkaar kunnen communiceren. In een nog verder stadium zullen al deze functies geïntegreerd worden in één klein, zuinig, draagbaar en herconfigureerbaar toestel. Door een ingebouwde chip in dit apparaat (‘embedded connectivity’) staat men permanent (“always-on mode”) in contact met de gehele omgeving in de breedste (wereldwijd indien nodig en zinvol) betekenis van het woord. “Seamless roaming” zal

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 15

IWT-STUDIES > >> 44


2

Omdat eenzelfde

soort data niet op elk medium (gsm-scherm, computer scherm of tv-scherm) eenzelfde resolutie vergt kan de QoS dynamisch aangepast worden aan het gebruikte medium op een bepaald ogenblik. Hierdoor kan men de beschikbare bandbreedte veel efficiënter aanwenden. 3

Herconfigureerbaar

systeem: een systeem dat zich kan aanpassen zodat het de juiste vereisten bezit voor een specifieke toepassing.

een noodzaak worden. Maar voor het slagen van “seamless roaming” zal naast de uitgebreide software ook een sterk doorgedreven standaardisering (SW en HW) en samenwerking van groot belang zijn. Deze draadloze toekomst zal de wijze veranderen waarop men communiceert, winkelt, werkt en met anderen omgaat. Zo zal het niet meer nodig zijn om elke dag naar kantoor te gaan aangezien bv. nieuwe bedrijfsinfo of e-mail elke ochtend op een vast tijdstip naar zijn pda of laptop kan gestuurd worden. Draden, stekkers en “docking stations” worden overbodig. Men zal zijn e-mail kunnen lezen op de trein of in de tuin. Werkplekken en werktijden zullen op deze wijze veel flexibeler worden, waardoor werken privé-leven veel beter zullen kunnen gecombineerd worden. Ook winkelketens zullen slim gebruik kunnen maken van de nieuwe mogelijkheden: een poortje aan de ingang van de winkel zal een klant herkennen en hem of haar via zijn/haar mobilofoon of pda dan op de persoon toegesneden aanbiedingen tonen op een schermpje van het winkelkarretje. Intelligente verpakkingen van voedingswaren zullen permanent aangeven of de voedingswaar nog voldoende vers (consumeerbaar) is of niet. In dit laatste geval wordt het product bijvoorbeeld volledig gekleurd zodat duidelijk wordt dat het niet langer verkoopbaar is. Andere voorbeelden zijn afvalcontainers die automatisch, via een ingebouwd mobilofoon-systeem, laten weten waneer ze voor meer dan 85% vol zijn, zodat ze leeggemaakt kunnen worden (“remote servicing”); of containers die via ID-tags permanent kunnen opgevolgd worden waar ze zich exact bevinden; of intelligente wegen die variabele toltarieven kunnen hanteren, afhankelijk van piekuren en verkeersdensiteit, maar tezelfdertijd ook aan het navigatiesysteem van wagens kunnen doorgeven wat het beste (tijd versus kost) parcours is dat men kan volgen op een gegeven ogenblik.

15

Sleutelelementen voor de realisatie van draadloze intelligentie: • Flexibele air-interfaces: dé ideale oplossing voor een transmissieschema bestaat niet, gezien de grote verscheidenheid aan geografische omgevingen en terminals. Daarom is een flexibele golfvorm noodzakelijk die kan aangepast worden aan de connectie en aan 2 de quality-of-service (QoS )-vereisten.

• Platformintegratie: Aangezien er maximale mobiliteit gegarandeerd moet worden en de afmetingen dus beperkt moeten zijn, is een zeer sterk doorgedreven integratie noodzakelijk. De integratie van een volledig systeemin-een-verpakking (SiP) is de meest haalbare oplossing voor dergelijke terminals. Deze SiP 3 moet een herconfigureerbaar digitaal systeem bevatten, dat weinig vermogen verbruikt, en een herconfigureerbare radio om te kunnen roamen tussen de verschillende soorten communicatienetwerken.

• Schaalbare multimediasystemen: in een multimedia-omgeving zorgen allerhande heterogene netwerken en terminals ervoor dat multimedia-informatie virtueel overal kan opgevraagd en verwerkt worden. Schaalbare multimedia-encoding is daarbij onmisbaar, omdat het toelaat om slechts één keer gegevens te creëren en ze vervolgens op gelijk welk ogenblik aan te passen aan de netwerken terminalkarakteristieken. Een voorbeeld: men zal het weerbericht kunnen beluisteren aan de telefoon, aflezen op mobilofoon, interactief uitpluizen op computer of afspelen op pda. Voor elk soort platform en overeenkomstig kanaal zou een aparte multimedia-inhoud aangemaakt moeten worden: bv. alleen geluid aan de telefoon, tekst op mobilofoon, landkaarten met symbolen op pda en een weerbericht met alles erop en eraan (zelfs selectie per regio) op computer. Voor de productiehuizen is het niet haalbaar om voor elk platform een weerbericht uit te werken. Dit zou te duur en te tijdrovend zijn. Via schaalbare multimedia-encoding zal het mogelijk zijn om data eenmaal aan te maken en overal te publiceren.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 16


Overzicht van technologische ontwikkelingen voor de draadloze wereld Universele toegang en interactiviteit zullen in het komende decennium aanzienlijk toenemen dankzij de globale interconnectie tussen geavanceerde netwerken en terminals. De ruggengraat van dit systeem is het gesofisticeerde datanetwerk dat ontstaat door de convergentie van vaste en mobiele telefonie, Internet, WLAN, gps en satellietcommunicatie. De technologische doorbraken die nodig zijn om dit “supernetwerk” te realiseren zijn: • Toenemende bandbreedte van zowel vaste als draadloze netwerken; • Harmonisatie van communicatieprotocols en datasoftware; • Stijging van de dataverwerkingscapaciteit van terminals en servers; • Verhoogde functionaliteit en miniaturisatie van mobiele interfacesystemen; • Vermindering van vermogenverbruik van mobiele interfacesystemen, inclusief de aangewende protocols. FIGUUR 4 >

Integratie van een WLAN zender/ontvanger met antenne en versterker in een verpakking.

Chips (IC’s) voor draadloze communicatie behoren vandaag reeds tot de meest complexe geïntegreerde systemen die worden ontworpen en geproduceerd. Om de draadloze communicatiesystemen van de intelligente omgeving te realiseren, is er echter nog een verder doorgedreven miniaturisatie/integratie nodig. Meer en meer bestaan ze uit volledige systemen-in-een-verpakking, waar alle vereiste functionaliteit in één kleine verpakking zit, gaande van de antenne, de zender en ontvanger tot de volledige toepassingsfunctionaliteit zelf. Geavanceerde verpakkingstechnieken zoals o.m. de MCM-D (dunne-film multi-chipmodule)-technologie zijn hiervoor noodzakelijk. Ook wordt meer en meer naar vormen van 3D-verpakkingen gekeken om de densiteit (per eenheid van volume) nog verder op te drijven. De draadloze toepassingen van morgen zijn vooral gericht op multimediadistributie en Internettoegang via lokale netwerken. Verschillende standaarden werden reeds opgesteld zoals HiperLAN/2 en IEEE802.11a voor deze toepassingen. Ze maken gebruik van de OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)-modulatietechniek, die grote hoeveelheden data kan overbrengen door ze te verdelen over meerdere subdraaggolven. Bij lokale netwerken zoals in huis of op kantoor, bestaat echter het probleem dat bepaalde draaggolven terugkaatsen. Door destructieve interferentie gaan dan golven en data verloren, zogenaamde bitfouten. Een techniek zoals adaptieve lading kan dit oplossen. Adaptieve lading zorgt voor een optimale verdeling van de data over de verschillende subdraaggolven. Zo wordt ervoor gezorgd dat de data enkel verstuurd wordt over de ‘goede’ draaggolven en in gradaties minder data op de minder goede draaggolven. Maar naast deze bitfouten bestaat ook het probleem van gedeelde capaciteit voor lokale draadloze netwerken. Wanneer bv. meerdere werknemers in een kantoorruimte draadloos willen internetten, zal men een lagere transmissiesnelheid ervaren dan wanneer men alleen werkt. Verhoging van de capaciteit kan theoretisch bereikt worden door ofwel het zendvermogen te vergroten

16

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 17

IWT-STUDIES > >> 44


ofwel de bandbreedte. In de praktijk is dit echter niet haalbaar. Multi-antennetechnieken waarbij het basisstation over meerdere antennes beschikt, kunnen hier een oplossing bieden. Hierdoor kunnen verschillende gebruikers tegelijkertijd en bij dezelfde frequentie werken, hetgeen dus een sterke verbetering in celcapaciteit betekent. Om het vermogenverbruik te verkleinen, vereist draadloze transmissie een codering van het kanaal. Bij kanaalcodering wordt de data die verstuurd wordt, gemanipuleerd om het aantal bitfouten te verminderen. Vandaag bestaan er verschillende soorten kanaalcodes waaronder bvb. turbocodes. Turbocoderingsschema’s zijn goede kandidaten voor toekomstige systemen zoals (satelliet)UMTS en DVB. Terwijl turbocodering een oplossing kan bieden voor lokale draadloze netwerken, is er een andere benadering nodig voor de sensornetwerken van de slimme omgeving die een extreem laag vermogenverbruik zullen dienen te bezitten.

FIGUUR 5 >

biotechnologie en scheikunde, en dit op moleculair vlak, de mogelijkheid zal bieden om ons leven drastisch te verbeteren. Hierna enkele voorbeelden die men in gedachten heeft: • Een nano-bioprocessor die bacteriën/virussen kan opsporen in het bloed en ze vervolgens kan bestrijden met nanomedicijnen. Dezelfde denkpiste wordt reeds toegepast voor de combinatie van glucosebiosensor en insulinepomp die in de toekomst in staat zal zijn om de glucosespiegel te meten en insuline af te geven in het bloed. Zo kan een constante bloedsuikerspiegel gegarandeerd worden bij diabetespatiënten. • Neuro-implantaten voor de besturing van prothesen, de behandeling van Alzheimer of het tegengaan van epileptische aanvallen of voor het bestrijden van pijnen. • Sensoren voor het herstellen van gehoor en zicht.

1.2.2 Sensoren op en in het lichaam

• Verbeterde pacemakers en kunstorganen.

Wetenschappers verwachten dat binnen 10 jaar het samengaan van micro-elektronica,

• Sensoren voor ‘nieuwe’ zintuigen zoals infraroodzicht, ultrasoon gehoor.

De ontwikkeling van biosensoren in de tijd (de roadmap)

Nieuwe biocompatibele materialen

Energielevering & stockage Communicatie Autonome signaal Verwerking Autonome sensor

Implanteerbare sensor

Therapeutics In vivo

Testconcept Intelligente plakker Chemische Verbindingslaag

Bio sensor Intelligente kleding

Transducer configuratie Wegwerpbare sensor

2004

2006 Polymeer Elektronica

17

POC Ziekte merker

POC Proteomics

2008

2010

Nieuwe bioprobes, testen, transductors

In vitro

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 18


• Nanorobotten die microchirurgische ingrepen kunnen uitvoeren zonder hiervoor grote wonden te maken. • De ‘slimme pil’ die rechtstreeks naar de plaats van werking gaat (het doelwitorgaan of –weefsel) en zeer gericht actieve therapeutische molecules afgeeft. • Een sensor die bij biologische en chemische oorlogvoering de vreemde substanties dadelijk kan detecteren (vb. miltvuur). • Het creëren van virtuele omgevingen bv. voor studenten geneeskunde die zo de menselijke anatomie, fysiologische functies en medische procedures kunnen visualiseren en met al hun zintuigen ervaren. Natuurlijk is dit alles nog niet voor morgen. Er is nog een hele weg af te leggen, de zogenaamde ‘roadmap’ die opgesteld werd door onderzoekers uit universiteiten, onderzoeksinstellingen en de industrie. Deze onderscheidt twee evoluties: ‘in vivo’ toepassingen (sensoren die ingeplant worden in het lichaam) en ‘in vitro’ toepassingen (externe systemen). Intermediaire systemen zijn ‘plakkers’ voor op de huid (te vergelijken met nicotinepleisters) of sensoren die worden geïntegreerd in de kleding. De eerste biosensoren zijn reeds op de markt. 90% van de markt van biosensoren wordt ingenomen door glucosebiosensoren voor het meten van de glucosespiegel in het bloed van diabetespatiënten. Naast hun gebruik voor farmaceutische toepassingen worden biosensoren ook al gebruikt voor het screenen van milieu, voeding en fermentatieprocessen, in de landbouw en voor militaire doeleinden. Voorbeelden hiervan zijn: bepaling van nitraat in water, ammoniak in lucht, suiker in dranken, Salmonella in voeding, versheid van vis, steriliteit, levensduur en on-line calibratie van het fermentatieproces, antibiotica in koeienmelk, plantenziekten, bodemvoedingsstoffen en pesticidencontrole in de landbouw, detectie van anthrax, enz. De volgende logische stap in de evolutie naar een implanteerbare biosensor is het volledig autonoom maken van het systeem:

18

een eigen energiebevoorrading (bij een ingeplante biosensor kan je niet zomaar eventjes de batterijen vervangen!), draadloze communicatie met andere systemen en ingebouwde signaalverwerking. Vooraleer dit autonoom systeem kan ingeplant worden, moeten biocompatibele materialen ontwikkeld worden. De ultieme droom is een therapeutisch implantaat dat niet alleen zal registreren (bv. DNA, proteïnen, ziektekiemen, glucose in bloed), maar ook zal handelen door het gepaste nano-medicijn in de bloedbaan te brengen aan de hand van in-situ metingen en analyses. De zoektocht naar een ‘in vitro’ systeem heeft als doel een extern ‘point-of-care’ (POC) systeem te ontwikkelen dat testen kan uitvoeren bij de patiënt zelf (thuis, bij de huisdokter of in het ziekenhuis) en niet meer in een gespecialiseerd klinisch labo. Een eerste stap in deze richting is toegespitst op materiaalonderzoek. Men wil namelijk komen tot een goedkoop en wegwerpbaar systeem omwille van steriliteitseisen. De polymeerelektronica lijkt hier een oplossing te kunnen bieden. Eerst en vooral wil men bepaalde ziekten kunnen detecteren waar men de juiste merkers (antigenen) al van kent. Het komt er dan op aan om de juiste antilichamen te maken (die herkennen de antigenen en binden ermee), ze te immobiliseren op het biosensoroppervlak en een gepaste transducer te ontwikkelen, die het biochemische signaal kan omzetten in een elektrisch signaal. De ultieme droom van de farmaceutische industrie is een point-of-care systeem dat proteïnen in het bloed kan screenen (proteomics). Met een dergelijk systeem zullen heel snel (‘realtime’) ziektes kunnen opgespoord worden, zonder dat er nog testen moeten gebeuren in een klinisch labo. Er werd hier voornamelijk gesproken over geneeskundige toepassingen, maar met een beetje verbeelding kan de roadmap ook toegepast worden in andere domeinen. Bv. in de veeteelt zouden biosensoren kunnen ingeplant worden bij schapen, zodat monden klauwzeer in een zeer vroeg stadium kan opgespoord worden en alleen de getroffen dieren moeten geslacht worden.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 19

IWT-STUDIES > >> 44


Overzicht van technologische ontwikkelingen voor een body area network van sensoren. Om een “body area network” (BAN) van sensoren die op en in het lichaam gedragen worden te realiseren, moeten er nog talrijke technologische doorbraken behaald worden en dit zowel in het domein van systeemontwerp als in de ontwikkeling van microsystemen. Op het vlak van ontwerp is het vooral belangrijk om een ultralaag vermogenverbruik, een optimale integratie en een gepaste gebruikersinterface na te streven (zie 1.2.3). De sensoren van het BAN moeten een autonome energievoorziening hebben. Flexibele plastiek zonnecellen die kunnen geïntegreerd worden in, bijvoorbeeld, kleding zijn hier een mogelijkheid. Vooraleer plastiek zonnecellen een doorbraak zullen kennen, zal de omzettingsefficiëntie van het zonlicht in energie voldoende hoog moeten zijn (5 à 10%) evenals de stabiliteit van de cel in de tijd. Vandaag behaalt men echter nog maar omzettingsefficiënties van ongeveer 2%. Verwacht wordt dat de plastiek zonnecellen FIGUUR 6 >

Plastiek zonnecelmodule op een flexibel substraat (eigendom IMEC).

19

zullen opduiken in consumentenartikelen vanaf 2005-2010. Ook vermogen-MEMS kunnen een oplossing bieden. Ze halen energie uit thermische, mechanische of biochemische energiestromen in en rond het lichaam of vanuit lichaamsbewegingen. Een elektronisch systeem zorgt voor de omzetting van de mechanische energie naar elektrische energie. Daarnaast moeten er dunne-film batterijen ontwikkeld worden om een brug te slaan tussen de energieproductie van de vermogen-MEMS en het energieverbruik. Dergelijke vermogen-MEMS vergen nog veel onderzoek vooraleer ze hun intrede zullen doen op de markt.

Polymeren zijn essentieel om tot goedkope wegwerpbiosensoren te komen. Daarnaast bieden ze de mogelijkheid om in kleding geïntegreerd te worden aangezien polymeersensoren plooibaar zijn. Polymeer halfgeleiderfilms met een hoge kwaliteit moeten hiervoor ontwikkeld worden. Een alternatief is het maken van ultradunne en ultrakleine chips. Deze chips moeten zo klein zijn dat ze ook in flexibele oppervlakken zoals kleding kunnen geïntegreerd worden. Zo bestaan er nu al technieken om chips te verdunnen tot een dikte van slechts 15µm zonder verlies van functionaliteit. Talrijke uitdagingen liggen ook voor de boeg in de ontwikkeling van de biosensor zelf. Allereerst moet er een geschikt transducersysteem ontwikkeld worden, dat het biochemische signaal (binding van antigen en antilichaam) kan omzetten in een meetbaar elektronisch signaal. Verschillende routes worden hier bewandeld. Zo worden er biosensoren ontwikkeld die detecteren op basis van geluidsgolven en geleiding tussen elektroden. Daarnaast wordt ook het magnetische detectieprincipe toegepast, wat het extra voordeel heeft dat de biomoleculen niet enkel gedetecteerd kunnen worden maar ook getransporteerd. Op basis van deze techniek kan men komen tot een labop-een-chip, waarbij een staal van een te onderzoeken vloeistof naar verschillende plaatsen op een sensorchip wordt gebracht om achtereenvolgens de aanwezigheid van verschillende merkers na te gaan. Een moge-

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 20


lijke toepassing van de magnetische biosensor is het opsporen van bepaalde genetische ziekten die waarneembaar zijn als een mutatie van DNA/RNA. FIGUUR 7 >

op de elektronische component. Een recente doorbraak in dit onderzoek is het gebruik van gemengde zelf-assemblerende monolagen. Hierdoor wordt een uiterst hoge gevoeligheid bereikt zodat de doelwitmoleculen reeds bij zeer lage concentratie kunnen gedetecteerd worden. Een andere generatie van sensoren zijn de zogenaamde ‘neuronen-op-een-chip’ waarbij transistoren verbonden worden met neuronen. De moeilijkheid hierbij is opnieuw de verbinding tussen het biologische en elektronische materiaal, waarvoor maar liefst vier tussenlagen nodig zijn. Deze systemen kunnen gebruikt worden om tijdig te waarschuwen bij bvb. epileptische aanvallen.

Wegwerp biochip voor de detectie van erfelijke ziekten en bacteriële infecties (eigendom IMEC).

1.2.3 Krachtiger chips

Naast het transducersysteem moet ook de verbindingslaag tussen de biologische en de elektronische component ontwikkeld worden. Hiervoor kunnen zelf-assemblerende monolagen van thiolen of silanen gebruikt worden die slechts enkele nanometer dik zijn. Deze moleculen, die zich spontaan organiseren in een laag, dienen als ‘linkers’ voor de immobilisatie van de biomoleculen FIGUUR 8 >

De wet van Moore: drijfveer van de ICindustrie De voorbije 30 jaar werd de IC(integrated circuit)-industrie of halfgeleiderindustrie voortgedreven door de wet van Moore. Begin jaren zeventig voorspelde Gordon Moore, één van de stichters van INTEL, dat het aantal transistoren op een chip iedere 3

Versnelling van de International Technology Roadmap for Semi-conductors: elke 2 jaar zou een nieuwe technologiegeneratie geïntroduceerd moeten worden.

95

97

99

01

03

05

07

10

13

500

Minimum Feature Size (nm)

IWT/studie44

1994

350 250

1997

180

1998

130

3-year cycle

100 70

2-year cycle

1999

50 35

2000

25 95

97

99

01

03

05

Year

20

07

10

13

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 21

IWT-STUDIES > >> 44


5

157nm optische lithografie:

De fabricage van chips gebeurt door het aanbrengen van zeer fijne patronen op de siliciumschijf via een lithografieproces. Dit kan vergeleken worden met de boekdrukkunst. Er wordt een fotogevoelige laag op de schijf aangebracht en het patroon wordt op de wafer geprojecteerd, waarna de fotogevoelige laag

jaar zou verdubbelen. Later herzag hij zijn voorspelling tot een verdubbeling om de 2 jaar. Zijn uitspraak is een de facto wetmatigheid geworden die nu nog steeds de drijfveer is van de IC-industrie en dit naar alle waarschijnlijkheid nog zal blijven voor de komende 10 tot 15 jaar. De impact van de halfgeleiderindustrie op alle industriële sectoren en op de volledige maatschappij is gigantisch geweest. Dit succes is te danken aan de voortdurende verkleining van de transistoren, de belangrijkste bouwstenen van de IC’s, in combinatie met nieuwe en creatieve methoden om complexe chips te ontwerpen. Hierdoor konden steeds snellere elektronische producten elkaar opvolgen met een bredere functionaliteit.

ontwikkeld wordt. Dit patroon wordt dan gebruikt als masker om de eigenschappen van de schijf te veranderen of om de positie van de verbindingsbaantjes te bepalen. 157nm slaat op de golflengte van het licht dat gebruikt wordt bij lithografie.

FIGUUR 9 >

4

Vandaag is het meest geavanceerde IC-productieproces 90nm CMOS . De ‘International Technology Roadmap for Semi-conductors (ITRS)’, die elk jaar een visie biedt op de trends die de halfgeleiderindustrie de komende 15 jaar zullen kenmerken, voorspelt dat dit miniaturisatieproces dus nog zeker 10 tot 15 jaar verder zal gaan tot 25nm of zelfs 10nm afmetingen (lijnbreedtes). De halfgeleiderindustrie is echter wel in de moeilijkste episode uit zijn geschiedenis 4

90nm CMOS siliciumschijf.

terechtgekomen. Door de verdere verkleining van CMOS tot deze nano-afmetingen zijn de fysische grenzen van de conventioneel-gebruikte materialen en de transistorstructuur bereikt. Er treden problemen en zeer grote uitdagingen op bij het realiseren van kleine afmetingen op een gecontroleerde en reproduceerbare manier, bij het verbinden van verschillende elektronische componenten binnen een chip of een systeem, bij het verbeteren van actieve componenten, enz. Zo is er een wereldwijde zoektocht ontstaan naar nieuwe technologieën (157nm optische lithografie , nieuwe reinigings- en doperingstechnieken, nieuwe materialen met een hoge diëlektrische constante om het siliciumdioxide dat gedurende 40 jaar het hart van de transistor vormde te vervangen, materialen met lage diëlektrische constante om als isolator te gebruiken tussen de metaalverbindingen, enz.) en zelfs totaal nieuwe transistorstructuren om de miniaturisatie verder te kunnen zetten (vb FINFETs). 5

De snelle vooruitgang in de halfgeleiderindustrie werd gedurende de voorbije decennia gedreven door de vraag naar de verdere verkleining, de grotere complexiteit en hogere snelheid van de microprocessoren en de evolutie naar complexere besturingssystemen. Met andere woorden, de micro-elektronicaindustrie werd in grote mate beïnvloed door de computer en pc-business en werd vooral gedomineerd door de grote spelers uit de Verenigde Staten zoals INTEL en Microsoft. Dit had tot gevolg dat de wereld van de halfgeleiderfabrikanten sterk afhankelijk was van de marktcycli van de pc.

90nm CMOS: 90nm

Maar in de jaren 90 hebben twee toevallige revoluties de industrie drastisch gewijzigd: de combinatie van computertechnologie, optica en glasvezeltechnologie bracht ons in een telecommunicatierevolutie (zowel via draad als draadloos in een latere fase). Tegelijkertijd was er ook de doorbraak van het Internet. Met de introductie van de mobilofoon kwam de halfgeleiderindustrie op een nog nooit gekend economisch hoogtepunt. Door een tijdelijke verzadiging van de mobilofoon-markt, door het nog niet echt beschikbaar zijn van essentiële componenten voor het tijdperk van een slimme omgeving,

slaat op de afmeting van het belangrijkste onderdeel van een CMOS-transistor. CMOS is een standaard halfgeleidertechnologie.

21

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 22


6

Modules voor gemengd

analoog/digitale toepassingen zijn een absolute noodzaak voor de integratie van draadloze communicatiesystemen. 7

BICMOS: standaard CMOS-technologie uitgebreid met

omwille van een algemene economische terugval, politieke onzekerheden en internationale spanningen en daaruit voortvloeiende sociale onzekerheden en dit simultaan met de toegenomen complexiteit en kost om de volgende generatie halfgeleidertechnologieën te ontwikkelen, zit de micro-elektronicaindustrie nu in de moeilijkste periode uit haar geschiedenis. Enkel revolutionaire nieuwe applicaties (zoals de mobilofoon enkele jaren geleden), die zich zullen situeren in de intelligente omgeving, kunnen deze industrie terug doen opleven, mits een minimum aan internationale stabiliteit. De opportuniteiten zijn immers zeer groot.

bipolaire transistoren.

municatiesystemen die werken op hoge frequenties. 8

Niet-vluchtige

geheugens: geheugens die hun data behouden zelfs wanneer er geen constante voedingsspanning is.

FIGUUR 10 >

Voor de ontwikkeling van de intelligente apparaatjes is er echter meer nodig dan een verder doorgedreven miniaturisatie van halfgeleidertechnologieën (ook wel verticale integratie of schaling genoemd). Deze verticale schaling zorgt voor snellere, kleinere systemen met meer rekenkracht. Standaard IC-productietechnologieën moeten echter tevens uitgebreid worden met speciale modules om extra functionaliteit (koppelen van andere vormen van logica aan de basis CMOS logica) te kunnen toevoegen in de chip (horizontale integratie). Toenemende functionaliteit aan lage kost, met een afnemende kloof tussen de beschikbaarheid van de basistechnologie en diverse technologieopties, zal de sleutel zijn bij de realisatie van geavanceerde producten in Verticale integratie (miniaturisatie) en horizontale integratie (meer functionaliteit toevoegen in de chip).

Embedding

CMOS NVM

Scaling

Deze technologie is nodig voor de telecom-

BICMOS Sensors RF RF MEMS Bio MEMS

25nm... From vertical to horizontal integration

22

het tijdperk van de intelligente omgeving. Daarom worden er modules ontwikkeld voor gemengd analoog/digitale toepassingen , BiCMOS-technologie , RF-CMOS geïntegreerde niet-vluchtige geheugens , sensoren, RF-MEMS, bio-MEMS, enz. De kostprijs van deze extra functionaliteit kan laag gehouden worden door deze procesopties volledig compatibel te maken met het standaard IC-productieproces. 6

7

8

Ontwerpcomplexiteit: van digitale IC tot herconfigureerbare platformen Terwijl de klok van Moore onverbiddelijk verder tikt, stelt men vast dat de IC-ontwerpmethodes hoe langer hoe meer problemen ondervinden om dezelfde tred te houden. De oorzaak van deze divergentie tussen technologie en ontwerp heeft enerzijds te maken met de exponentiële toename van de IC-complexiteit (het aantal transistoren neemt exponentieel toe met de tijd) aangezien de complexiteit van de producten stijgt. Anderzijds eisen de intelligente toepassingen de integratie van verschillende functies op dezelfde chip met geïntegreerde componenten zoals MEMS. De chips van de intelligente omgeving zijn systemen-op-chip, bestaande uit hardware en software, ze bestaan meestal uit zowel analoge als digitale circuits gecombineerd met verschillende componenten zoals MEMS, en moeten een minimaal vermogenverbruik hebben. Vroeger gebeurde bij de ontwikkeling van een systeem het ontwerp van het HW (hardware)- en SW(software)-gedeelte volledig losstaand van mekaar. Dit resulteerde in ettelijke ontwerpfouten die pas ontdekt werden in de testfase, waarbij HW en SW bijeengebracht werden. Aangezien de HW ‘gebakken’ was in de chip moesten de fouten doorgaans bijgestuurd worden door de SW-ingenieurs. Geleidelijk aan werden er nieuwe IC-systeemontwerpmethodes geïntroduceerd, de zogenaamde HW/SW-coontwerpmethodes. HW/SW-co-ontwerp was de eerste stap naar het ontwerp van SoC’s (systemen-op-een-chip). Met deze ontwerpmethode werd het mogelijk om in één ontwerp zowel HW en SW stap voor stap te

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 23

IWT-STUDIES > >> 44


9

CoWare is een IMEC

spin-off die hierin een sterke technologievoorsprong uitbouwde

combineren, beide bestaande uit toepassingsspecifieke functionele blokken en commercieel beschikbare IP (intellectual property)-blokken, via nieuwe interfacesynthesemethodes . Met de huidige SoC-ontwerpmethodes wordt het volledige systeem op een hoog abstractieniveau beschreven in één enkele taal en wordt het ontwerp systematisch verfijnd tot een implementatie bestaande uit zowel HW als SW. Door de toenemende complexiteit van systeemontwerp en de steeds snellere marktintroductie van nieuwe systemen, ontstond er ook een toenemende druk om efficiënte, systematische verificatiemethodes te ontwikkelen. 9

Door deze nieuwe HW/SW-co-ontwerpmethodes en ondersteund door de verdere miniaturisatie van de halfgeleidertechnologie, kreeg systeemontwerp een volledig nieuwe dimensie. Gedurende verschillende decennia was een elektronisch systeem gebaseerd op de intelligente integratie van verschillende standaard en toepassingsspecifieke componenten (zowel passieve als actieve componenten) gecombineerd met standaard en/of toepassingsspecifieke SW. Maar de markttrends stuurden de ontwerpers in een volledig nieuwe richting: van ‘intelligentie die opgeslagen was in een computer’ en gelokaliseerd op een vast punt (bvb. je bureau) ontstond er een nieuwe trend om ‘intelligentie te koppelen aan een persoon’, waar de persoon zich ook bevond. Mobiele communicatie en in een latere fase de mobiele Internettoestellen waren geboren. Zij liggen aan de basis van de intelligente omgeving (zoals beschreven in 1.1.2). Deze evolutie introduceerde op zich weer nieuwe technologische uitdagingen. De toestellen van de intelligente toekomst zullen een ultralaag vermogenverbruik moeten hebben aangezien ze op batterijen zullen werken. Hierdoor is de optimalisatie van functionaliteit per vermogeneenheid (of maximalisatie van vermogenefficiëntie uitgedrukt in MOPS (million operations per second)/Watt) één van de belangrijkste objectieven geworden bij systeemontwerp. Laag-vermogen chips kunnen verkregen worden door over te stappen naar meer

23

geavanceerde (geminiaturiseerde) procestechnologieën en door creatieve ontwerpmethodes, m.i.v. van nieuwe data en geheugenmanagement methodieken. Om tot een systeemimplementatie te komen die weinig vermogen verbruikt is een ontwerpbenadering bestaande uit twee stappen noodzakelijk. Allereerst moet de hoogniveau applicatiebeschrijving omgezet worden naar een omschrijving met parallelle taken die efficiënt kan geïmplementeerd worden (spreekwoordelijk gezegd: een SW-wasmachine zal de vuile, onbewerkte hoog-niveau applicatiebeschrijving omzetten naar een opgekuiste omschrijving). In een tweede fase moet de code verder verfijnd worden naar een SW- en/of HWimplementatie. Tijdens de twee fases van het ontwerpproces kan het vermogenverbruik geoptimaliseerd worden via specifieke tools. Zo kan bijvoorbeeld door de optimalisatie van opslag en transfer van data in geheugens het energieverbruik drastisch verminderd worden. Ook inspelen op het dynamische karakter van de applicaties kan resulteren in vermogenefficiënte implementaties. Vandaag wordt een systeem immers nog altijd vastgelegd bij zijn ontwerp. De ontwerpers kiezen voor een vaste implementatie die kan ontworpen zijn voor een maximale belasting. Dergelijke implementatie zal voor het grootste deel van de tijd overgedimensioneerd zijn en dus een verspilling zijn van kost en vermogen. Het alternatief is dat er wordt gekozen voor een goedkopere implementatie, maar dan zal op bepaalde momenten de toepassing performantieproblemen vertonen. Methodes die gebaseerd zijn op het beheer van parallelle taken op een implementatieplatform bestaande uit meerdere processors, elk met een verschillende voedingsspanning, kunnen op een dynamische manier het vermogenverbruik minimaliseren volgens de werkelijke belasting van het systeem. Door de verdere miniaturisatie treedt er echter nog een ander economisch fenomeen op dat de implementatie van systemen sterk zal beïnvloeden. Naarmate de halfgeleidertechnologie verder verkleind wordt naar nanometerafmetingen, nemen de proceskosten drastisch toe. De oorzaak

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 24


van deze toenemende kost situeert zich vooral in de maskerkosten (lithografie). Zo bedraagt de maskerkost voor de 90nm CMOS-technologie meer dan 1 miljoen euro. Hierdoor zullen alleen zeer grote productiereeksen economisch verantwoord zijn. Dit veroorzaakt een verschuiving van toepassingsspecifieke chips naar zogenaamde herconfigureerbare HW-platformen. Dergelijke HW-platformen worden ontworpen en geoptimaliseerd voor een familie applicaties of voor verschillende generaties producten met eenzelfde architectuurstijl. Dit is enkel mogelijk door het integreren van programmeerbaarheid in deze HW-platformen. Chips of SoC’s worden programmeerbaar en schaalbaar door o.a. de integratie van programmeerbare logica (vb. field programmable gate arrays). Deze herconfigureerbare platformen bieden het voordeel dat ze verschillende toepassingen kunnen draaien en toch steeds de optimale configuratie hebben om een goede QoS (quality of service) aan te bieden. Daarnaast zullen ze ook toelaten om op een eenvoudige manier het systeem te upgraden door draadloos de volgende generatie SW of nieuwe communicatieprotocols of nieuwe standaarden te downloaden op het HW-platform. FIGUUR 11 >

> 1 . 3 D E O P K O M S T VA N N I E U W E ‘DISRUPTIVE’ TECHNOLOGIEËN: TOP-DOWN EN BOTTOM-UP NANOTECHNOLOGIE

De dag dat Richard Feynman in 1959 een lezing gaf met als titel “There’s plenty of room at the bottom” was een uniek moment in de geschiedenis van de technologie, de wetenschappen en de toegepaste wetenschappen. Een nieuwe denkwijze werd geïntroduceerd, later bekend als de nanotechnologie. Nanotechnologie staat voor het fabriceren en controleren van functionele structuren met atomaire precisie. Feynman’s visie dat nanotechnologie de mogelijkheid zou bieden om complexe machines en circuits op te bouwen, atoom per atoom, is nog lang niet aan de orde. We staan nog maar aan het prille begin van het nanotijdperk. Wetenschappers over de hele wereld en uit verschillende disciplines trachten inzichten te verwerven in de verschillende facetten van de nanotechnologie. Nano-elektronica is ontstaan vanuit het voortdurende streven naar kleinere transistorafmetingen volgens de beroemde wet van Moore: aanvankelijk elke 3 jaar en nu elke 2 jaar verdubbelt het aantal transisto-

Convergerende technologieën.

microelectronics 1.000.000 nm

top -do wn

molecular electronics bioelectronics nEMS & nanotechnology

1.000 nm chemistry biology atomic manipulation

-up bottom

1 nm

1950

1960

1970

24

1980

1990

2000

2010

2020

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 25

IWT-STUDIES > >> 44


10

Converging

Technologies for enhanced human performance: nanotechnology, biotechnology, information technology and cognitive science", June 2002.

ren op een chip. Dit gaat gepaard met een groter wordende complexiteit: steeds meer en steeds kleinere transistoren. Het worden nanotransistoren. Nano-elektronica staat voor systemen met giga-complexiteit. De traditionele “top-down” benadering, nl. de ultraprecieze behandeling van materialen om ze te schalen van macroscopische tot nanodimensies, zal de komende jaren nog verder toegepast worden in de ICtechnologie om transistorafmetingen te verkleinen ver beneden de 100 nm. Bij de “bottom-up” benadering daarentegen vertrekt men van individuele atomen en moleculen in plaats van materiaallagen, om zo macrostructuren op te bouwen. Deze nieuwe denkwijze is ontleend aan de scheikunde en biotechnologie. Het geheim van de nano-elektronica is dat deze twee ogenschijnlijk tegengestelde benaderingen elkaar zullen ontmoeten en zullen samensmelten door de samenwerking tussen experten uit de verschillende vakdomeinen. Talrijke nieuwe toepassingen voor de intelligente omgeving zullen ontstaan op de kruising van “bottom-up” (moleculaire chemie, moleculaire biotechnologie, fysica, …) en “top-down” nanotechnologie. De komst van de nano-elektronica is een uniek moment in de geschiedenis van de technologie, van de wetenschappen en van de toegepaste wetenschappen. Nano-elektronica steunt op een synergie tussen elektrotechniek, materiaalkunde, natuurkunde en scheikunde. Het samenstellen van nieuwe materialen, het ontwerpen van functionele eigenschappen kan maar door een samenwerking tussen wetenschappelijke disciplines. En deze trend zet zich verder. Recent wordt er ook een duidelijke stap gezet naar de biologie en de medische wetenschappen. De logische functies van transistoren worden vertaald in het gedrag van organisch en biologisch materiaal. Men poogt ook de transistoren te laten communiceren met biologische moleculen. Het belang van deze multidisciplinariteit wordt ook sterk benadrukt in het laatste,

25

400 blz. tellend rapport van de ‘National Science Foundation . Dit document stelt voor hoe deze convergentie van wetenschappen en technologieën kan leiden tot allerlei nieuwe toepassingen: 10

• een verhoogde communicatie voor elk individu; • hoe sensoren gebruikt kunnen worden voor de voorspelling van rampen, het opvolgen van de luchtvervuiling en zo meer; • hoe de landbouw en de voedselindustrie zullen kunnen rekenen op betere opbrengsten en zeker zo belangrijk op een betere kwaliteit; • hoe comfortabele, draagbare sensoren en computers zorgen voor een continue opvolging van de gezondheidstoestand van patiënten; • hoe een combinatie van technologie en verzorging een antwoord kan bieden voor fysische en mentale kwalen door een netwerk van slimme sensoren; • enz. De nano-elektronica zal een verschuiving in onze maatschappelijke leefwereld teweeg brengen. De architecten van deze maatschappij zullen ingenieurs zijn, medici, fysici, chemici, … kortom wetenschappers uit diverse disciplines en in de ruime zin van het woord: zij moeten immers tevens samenwerken met maatschappelijke experten die de vorming van deze nieuwe maatschappij analyseren en in goede banen leiden.De integratie en de synergie van nanotechnologie, biotechnologie, informatietechnologie en de nieuwe humane cognitieve wetenschappen wil leiden tot een verbetering van de menselijke mogelijkheden en zal als dusdanig een grote invloed hebben op de economische activiteiten. Met de nodige aandacht voor ethiek en voor sociale noden kan de nano-elektronica aan de basis liggen van het menselijke kunnen, van de sociale groei, van de productiviteit en betere verspreiding van de resultaten van dergelijke doorbraken, ook in ontwikkelingslanden, en uiteindelijk in de verbetering van de kwaliteit zelf van het leven.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 26


IMEC’s onderzoek voor de intelligente omgeving situeert zich op drie vlakken:

• Onderzoek en ontwikkeling van productieprocessen voor volgende generaties ge-miniaturiseerde en geïntegreerde schakelingen, tot beneden de 45 nm-technologiegeneratie. Het betreft hier optische lithografie, reinigingsmethoden, nieuwe transistorpoortmaterialen en interconnectiemodules. IMEC ontwikkelt ook speciale modules om extra functionaliteit toe te voegen aan chips, zoals gemengd analoge/digitale modules, BiCMOS en geïntegreerde niet-vluchtige geheugens. IMEC is zich ervan bewust dat de ver doorgedreven miniaturisatie en de implementatie van nieuwe procédés, materialen en concepten tot ernstige problemen kan leiden inzake

1.3.1 Technologische ontwikkelingen in de nanowereld

Het gedrag van een nanotransistor wordt bepaald door enkele tientallen atomen die in het silicium (het basismateriaal van een chip) aangebracht zijn. Deze atomen bepalen de geleidbaarheid van de transistor door een isolator van slechts enkele atomen dik. De beweging van de ladingdragers moet gecontroleerd worden tegen de grenzen van de kwantummechanica. De miljoenen transistoren worden met elkaar verbonden door nog kleinere draadjes die ingebed liggen in materialen die speciaal voor deze toepassing zijn ontwikkeld. Naast de miniaturisatie van het klassieke transistorconcept (CMOS) door gebruik te maken van o.a. nieuwe materialen, nieuwe lithografieprocessen, enz., is men wereldwijd reeds alternatieve transistorstructuren aan het uitdenken om deze nanotransistoren te realiseren. De nieuwe concepten zullen essentieel zijn vanaf de 45 nm-grens, want bij die afmetingen verwacht men dat de klassieke CMOS-transistorconcepten niet meer zullen functioneren. Hoger vernoemd onderzoek steunt op de ‘top-down’ benadering. De CMOS-transisto-

26

betrouwbaarheid. IMEC’s betrouwbaarheidsonderzoek is dan ook een onmisbare schakel in de ontwikkeling van betrouwbare chipproductieprocessen van de toekomst. • Technologieën voor specifieke toepassingen voor de intelligente omgeving: Twee divisieoverschrijdende programma’s behandelen deze topics, respectievelijk Human++ en M4, meer bepaald een sensornetwerk dat op het lichaam gedragen wordt en een multimodemultimedia terminal. • Nano-elektronica. Tenslotte onderzoekt IMEC de mogelijkheden van nano-elektronica in onderzoeksdomeinen als spintronica, plastiek elektronica, biosensoren en alternatieve transistorstructuren.

ren worden immers geproduceerd door achtereenvolgens laagjes materiaal te deponeren, bepaalde stukken selectief weg te etsen, opnieuw een materiaal te deponeren enz., tot men een transistor opgebouwd heeft. De depositie en het wegetsen van materialen moeten met een enorm grote nauwkeurigheid gebeuren om de uiteindelijke transistoren met nanometerafmetingen te realiseren. De minste fluctuatie in het ets- of depostieproces brengt een te grote structuurafwijking met zich mee, en bijgevolg compleet andere elektrische eigenschappen. Het is dus een enorme uitdaging om reproduceerbare transistoren te maken met nanodimensies. Uiteindelijk (>2015) zal de ‘top-down’ CMOS-fabricatie moeten vervangen worden door een ‘bottom-up’ benadering waarbij men vertrekt van individuele atomen en moleculen in plaats van materiaallagen. De ‘bottom-up’ nanotechnologie zal daarentegen ook talrijke andere vernieuwende toepassingen mogelijk maken. Stilaan zullen koolstofnanobuizen, door hun specifieke eigenschappen, een toepassing vinden in beeldschermen, in nieuwe componenten en in zonnecellen om hernieuwbare energie op grotere schaal te pro-

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 27

IWT-STUDIES > >> 44


FIGUUR 12 >

CMOS-technologie en de toekomst.

magnetoelectronics plastic electronics

Tubes Semiconductors

optics

MOS CMOS

Transistor IC Industriële partner

nanoelectronics

ULSI

biosensors molecular nanotechnology

1950

1960

2000

MEMS

2030

duceren. Magnetische schijven worden vervangen door nanostructuren op de chip, waarin de spin van enkele elektronen voor de geheugenfunctie zorgt. Elektronen hebben immers naast hun elektrische lading ook een spintoestand. Spintronica is het nanodomein dat deze elektronenspin benut. Zelf-assemblerende oppervlakken zullen de biosensoren, die een essentieel onderdeel zullen vormen van de intelligente omgeving, dan weer uitermate gevoelig maken. Betrouwbare, gebruiksvriendelijke biosensoren steunen op selectiviteit (mogen alleen doelwit herkennen en daarmee binden), sensitiviteit (moeten zeer lage concentratie van doelwit kunnen detecteren), reproduceerbaarheid en stabiliteit. De halfgeleidertechnologie staat garant voor de laatste twee eigenschappen, de natuur voor de eerste twee. Ze biedt namelijk een onmetelijk groot gamma aan van organische functionele elementen (‘bioreceptoren’) die elk een uiterst grote sensitiviteit en selectiviteit (uniek sleutel-slot principe) bezitten vooreen specifiek doelwit. Het geheim van een succesvolle biosensorstructuur schuilt in de verbindingslaag of een bufferlaag (belang oppervlaktechemie) tussen het micro-elek-

27

tronisch logica en signaalfunctie en de natuurlijke, biologische herkenningslaag. Zelf-assemblerende lagen kunnen de brug slaan tussen deze twee werelden. Ze vormen als het ware een verankeringslaag voor een gecontroleerde depositie van de organische bioreceptoren. Bionics gaat nog een stap verder dan biosensoren en maakt directe verbindingen tussen biologische en technologische delen, bv. tussen neuronen (hersencellen) en micro-elektronische componenten. Terwijl bij biosensoren een éénrichtingssignaal werkt (van biologische herkenning naar transducersignaal), bestaat er een tweerichtingscommunicatie tussen neuronen en elektronica: neurosignalen kunnen gedetecteerd, verwerkt en opgewekt worden door de chips. Toepassingen zoals hersengestuurde prothesen zullen met deze technologie werkelijkheid worden. Maar zo ver staat de bionische technologie nog niet. Men concentreert zich nog op de versmelting van de biologische en micro-elektronische wereld zonder verlies aan functionaliteit in beide werelden. Zo wordt er nu onderzoek verricht voor de synthese van gestructureerde zelfgeassembleerde biolagen die levende en groeiende neuronen ‘leiden’ naar het actieve domein van een

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 28


elektronische structuur. De uitdaging hierbij is de hybridestructuur zo te maken dat de hersencellen zich in hun natuurlijke omgeving wanen.

11

Zo schat men de

hoeveelheid informatie die via taal verspreid kon worden in de toenmalige beschaving op 1 miljard bits, terwijl de opkomst van het schrift een honderdvoud teweegbracht, en voor boekdrukkunst op haar beurt een miljoen maal meer. De impact van computernetwerken wordt geschat op een nieuwe stap in informatiegroei van een factor 100 miljoen (Uit: The new renaissance, Douglas S. Robertson, Oxford University Press, 1998)

Onderzoek naar nanotechnologie vereist ook een hele set van gespecialiseerde technieken zoals AFM (atomic force microscopy), STM (scanning tunneling microscopy), SRP (scanning resistance probe measurements) en SNOM (scanning nearfield optical microscopy). Deze technieken laten onder meer toe om beelden te maken van atomen. Ze zijn enorm nuttig voor nauwkeurige inspectie van de uniformiteit van een gedeponeerde laag. Nog meer innoverende technieken worden intussen ontwikkeld. Een voorbeeld is de combinatie van AFM en QCM (quartz crystal microbalance) waarmee zowel kwantitatieve als kwalitatieve gegevens verzameld worden bij bvb. zelf-assemblage. Atoomlaag CVD (chemical vapor deposition) is een heel populaire depositietechniek. Bij atoomlaag CVD gaat men via reactieve gassen atoomlaag na atoomlaag deponeren, tot een film verkregen is met de gewenste dikte. Zo kan men lagen groeien met perfecte dikte en uniformiteit. Deze techniek wordt nu reeds toegepast voor het deponeren van heel dunne materiaallagen bij de verdere miniaturisatie van CMOStransistoren.

> 1 . 4 D E N O O D Z A A K VA N C O N V E R GERENDE TECHNOLOGIEËN

Wetenschap en technologie bewandelen zelden rechtlijnige paden in de tijd. Vaak maken ze zijsprongen, dikwijls zo onverwacht dat ze niet zelden de oorzaak van ontdekkingen zijn die leiden tot echte doorbraken. Wanneer verschillende technologische domeinen met elkaar in contact komen, vindt er altijd een zekere mate van kruisbestuiving plaats. Soms ontstaan zelfs totaal nieuwe wetenschappelijke disciplines. 1.4.1 Technologische kruisbestuiving

Een voorbeeld van de kracht van convergerende technologieën vindt men terug in de evolutie die computers de voorbije 25 jaar hebben ondergaan. Dankzij de vooruitgang

28

op het gebied van geïntegreerde schakelingen (IC’s) werden de kamergrote mainframe computers in de jaren ’80 vervangen door de personal computer (PC) en uiteindelijk de palmcomputer. Doorgedreven elektronische miniaturisatie leidde ertoe dat voldoende rekenkracht en opslagruimte konden gestopt worden in een kleine computer die paste op een bureau (het desktop model). In een latere fase deed de laptop zijn intrede, mede dankzij de ontwikkeling van componenten die rationeel omsprongen met energieverbruik. De mobiele medewerker was geboren. Een significante stap voorwaarts kwam er met de opkomst van snelle communicatienetwerken, gebaseerd op nieuwe ontwikkelingen in glasvezeltechnologie en laserfotonica. Computers vormen nu een gigantisch netwerk van informatie en kennis. Het belang van deze stap naar een ‘connected’ world kan niet genoeg benadrukt worden. Immers, de verspreiding van informatie en kennis (en wijsheid!) is één van de pijlers die de vooruitgang van onze beschaving ondersteunen. De realisatie van computernetwerken (de convergentie van micro-elektronica en communicatietechnologie) is in dit beeld een logische stap na: (0) gebarentaal, (1) taal, (2) schrift en (3) boekdrukkunst, die telkens voor een versnelling van onze evolutie zorgden . 11

Vandaag voegt men een derde aspect aan die convergentietrend toe. Naast performantie (via steeds grotere rekenkracht en uitgebreidere functionaliteit) en communicatie tussen computers, wordt de interactie van computers met de omgeving meer en meer belangrijk. Dankzij de ontwikkelingen op het vlak van micro-elektromechanische systemen (kortweg MEMS of ook microsystemen) kan men sensoren inbouwen die toelaten om fysische grootheden te meten van de onmiddellijke omgeving. Voorbeelden zijn botsingssensoren voor wagens, airbagontstekers, biosensoren voor het opvolgen van medische parameters, enz. De combinatie van microsysteemtechnologie, met de mogelijkheden die micro-elektronica en draadloze communicatie kunnen bieden, vormt in de nabije

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 29

IWT-STUDIES > >> 44


toekomst een kweekvijver voor tal van nieuwe toepassingen. De voorbije jaren heeft men een reeds ware samensmelting gezien van producten uit de consumentenelektronica, de communicatie-elektronica en computers, zoals Internet-GSM, PC home theater, draadloze PDA, GSM-GPS, enz. 1.4.2 Naar een transformatie van wetenschap en technologie door convergentie

Wellicht het meest frappante verschijnsel op het vlak van convergentie en interdisciplinariteit is de evolutie van de nanotechnologie. De komst van nano-elektronica is een nieuw en uniek moment in de geschiedenis van de wetenschap en technologie (zie hoger).

29

Nochtans heeft deze evolutie niet alleen plaats in de micro- en nano-elektronica. Zij kadert in een breed verspreid gedachtegoed om verschillende wetenschappelijke en technologische disciplines dichter bij elkaar te brengen. Het doel is niets minder dan een fundamentele transformatie van wetenschap en technologie, die op haar beurt zal zorgen voor nieuwe producten en diensten die onze welvaart dienen te verhogen. Onderzoekers hopen dat die convergentie zal leiden tot een holistisch begrip van technologie en een fundamenteel begrijpen van de fysische en biologische wereld, van het kleinste elementaire deeltje tot gigantische intergalactische fenomenen, van de kleinste levende structuren tot de ingewikkelde en dynamische interacties van biologische organismen.

IWT/studie44

definitief

Hoofdstuk 2

3/26/03

5:58 PM

Page 30

E E N N I E U W T E C H N O L O G I E P L AT F O R M

> 2 . 1 D E WA A R D E VA N K E N N I S De trends geschetst in dit document hebben onmiskenbaar een toenemende impact op de industrie. Ieder product wordt intelligenter en zal met zijn omgeving in een dynamische dialoog moeten kunnen treden. Dit geldt niet alleen voor de producten van de hightech industrie, maar ook voor producten uit de meer “traditionele” sectoren zoals textiel, voeding, bouw, transport, milieu, enz, waar het inbrengen van intelligentie en communicatie met andere producten nieuwe en essentiële concurrentiële differentiatoren kunnen betekenen. Ieder bedrijf krijgt vroeg of laat met deze realiteit te maken, inclusief de bedrijven die diensten aanbieden. Kennis is een product op zich geworden, met een specifieke toegevoegde waarde, die meermaals kan verkocht of geïmplementeerd worden in nieuwe of vernieuwde producten en productieprocessen. De waarde van kennis ligt in de mate waarin ze bijdraagt tot een differentiator voor een product, in vergelijking met concurrerende producten. Dit heeft alles te maken met de wijze waarop dergelijke differentiatoren (subjectief) ingeschat en gewaardeerd worden bij de afnemers. Naast de differentiator t.o.v. concurrenten, is de waarde van kennis voor een product of dienst afhankelijk van het tijdstip waarin het product of de dienst in de markt geïntroduceerd wordt. Kennis heeft evenwel een ‘korte halfwaardetijd’ als gevolg van de snelle evolutie zelf van nieuwe inzichten, nieuwe kennis en nieuwe technologische doorbraken. De marktwaarde van kennis neemt dan ook doorgaans snel af met het verstrijken van de tijd, zodat marktintroductie in het juiste tijdsvenster van cruciaal belang is voor de totale rendabiliteit van het product, zeker indien hoge ontwikkelingskosten nodig waren. Dit heeft tot gevolg dat, alhoewel de ontwikkelingstijd steeds korter wordt en de levensduur van een product steeds kleiner wordt (bvb voor een GSM is dit typisch 9 maanden), een goed inzicht in lange-termijn evoluties van de technologie steeds belangrijker worden.

30

Daarnaast merkt men een graduele toename van hergebruik en schaalbaarheid van technologische kennis. De stijgende ontwikkelingskosten nopen onderzoekers om technologie modulair (functionele bouwblokken) te ontwikkelen die later nog kan hergebruikt worden in andere producten. Een voorbeeld is ontwerpkennis van geïntegreerde schakelingen (IC’s). Om geavanceerde IC’s te ontwerpen op een kost-efficiënte wijze, worden delen van vorige ontwerpen (geheugenblokken, interfaces, enz.) opgeslagen in ontwerpbibliotheken en aangewend bij nieuwe producten als nieuw bouwblok, wat de ontwerptijd aanzienlijk kan verkorten. De primaire reden om intellectueel eigendom te hergebruiken, is de stijging van de productiviteit en de snelheid om te differentiëren naar nieuwe functionaliteit. Het is tevens het voorbeeld bij uitstek voor de kenniseconomie, waar kennis meerdere keren kan verhandeld/verbruikt worden in tegenstelling tot een traditioneel product. Hergebruik (vb. IP reuse) kent de laatste jaren dan ook een sterke groei. Bij systeemontwerp van geïntegreerde schakelingen bijvoorbeeld verdubbelt het aantal ontwerpen, waarbij intellectuele eigendom herbruikt wordt, gemiddeld elke 6 maanden. De mate van hergebruik is belangrijk. Naast het herbruiken van bouwblokken zoals digitale signaalverwerkingscomponenten en processoren, werkt de micro-elektronicaindustrie nu ook aan het herbruiken van complete chiparchitecturen, waar gestreefd wordt naar flexibele chipplatformen waar hard- en software kan geherconfigureerd worden naar gelang de toepassing. Dit werd reeds uitgebreid besproken en is één van de onderzoeksthema’s binnen IMEC. Businessmodellen zullen zich aan deze dynamiek dienen aan te passen en zullen dan ook voortdurend veranderen. Kenniseigendom is een goed dat terdege beschermd en juist gepositioneerd dient te worden, zowel binnen de waardeketen in het bedrijf (value chain management) als in de markt van kennisuitwisseling.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 31

IWT-STUDIES > >> 44

HOOFDSTUK 2 > Een nieuw technologieplatform

> 2.2 EEN VERANDERENDE ONDERZOEKSOMGEVING

12

een mooi voorbeeld hiervan is de

‘Alliantie" tussen STM, Philips en Motorola met preferentiële process-afstemming met TSMC in Crolles II (Grenoble- Frankrijk). 13

IMEC speelt in dit

opzicht een vooraanstaande rol. 14

Hoewel er een

zekere differentiatie optreedt tussen processen gekenmerkt door grote snelheid of processen met uitgesproken laag vermogenskenmerken.

FIGUUR 13 >

De producten die vandaag in de markt geïntroduceerd worden, zijn gebaseerd op nieuwe technologische ontwikkelingen die reeds een lange weg van onderzoek en ontwikkeling afgelegd hebben. De microelektronica industrie is een voorbeeld bij uitstek hiervan. De toenemende complexiteit, de stijgende kosten en snellere opeenvolging van de vraag naar nieuwe technologieën, om nieuwe generaties chips te ontwikkelen, dwingen de bedrijven in deze sector om globale samenwerkingen en allianties op te starten. Dit leidt uiteindelijk ook tot een consolidatie in de sector van ICproductie. Kern van deze samenwerking is delen van kosten, talent, risico en kennis. Dit wordt mede versterkt door de continue trend naar globalisatie van economieën en afzetmarkten. Nieuwe generaties chips vergen sterk stijgende investeringen in onderzoek en ontwikkeling en in geavanceerde productiefaciliteiten. Dergelijke investeringen (meer dan 2 Mia US$ voor een productieeenheid op 300 mm waferdiameter) dienen genomen te worden in een toenemend competitief klimaat tussen bedrijven, die hun marktaandeel wensen te vergroten, en tussen regio’s en landen die dergelijke industrie met hoge toegevoegde waarde wensen aan te trekken. opeenvolgende technologie levenscycli.

Return

Technologie 3

Technologie 2

Technologie 1 Tijd

31

Steeds minder bedrijven kunnen de ontwikkeling in hun eentje klaren en wenden zich tot onderzoeksinstellingen, universiteiten en andere bedrijven om technologie samen mee te ontwikkelen. Na clustering in IC-productie is er ook een clustering inzake ont12 wikkeling tot stand gekomen en worden ook (wereldwijd) een beperkt aantal 13 onderzoeksplatformen gevormd . Chiptechnologie heeft immers de neiging meer 14 uniform te worden , althans wat de generische basistechnologie betreft. Bedrijven vinden het belangrijker om samen dit soort onderzoek te verrichten, om in een vroeg stadium inzage te krijgen in deze basistechnologie achter de diverse productieprocesstappen en –modules, eerder dan exclusief eigendomsrecht van nieuwe technologie na te streven. Ze differentiëren dan eerder in de ‘tuning’ van dergelijke basisprocessen naar specifieke toepassingen, m.i.v. eigen bedrijfsspecifieke (product) IP.

> 2 . 3 D E L E V E N S C Y C L U S VA N TECHNOLOGIE

Elk product en elke technologie hebben een zekere levensduur, van de uitvindersfase tot de fase waarin het product of de technologie verouderd en uitgespeeld is. Deze evolutie volgt een typisch verloop, de technologielevenscyclus, een S-vormige curve. In de eerste fase, de embryonale fase, verricht men vooral generisch onderzoek dat de nieuwe technologie exploreert. Dit vergt veel (interne) inspanningen qua onderzoek en ontwikkeling (en dus uitgaven), zonder merkbare “return on investment” (ROI) op korte termijn. In de volgende fasen stijgt de curve sneller en wordt de ROI – via contractinkomsten - groter. In de voorlaatste fase, de mature (de laatste is de verouderende fase), zijn de inkomsten gaandeweg kleiner t.o.v. de inzet van de middelen, met dalende marges tot gevolg. De grootste returns zijn dus terug te vinden in de potentiële groeifase. Vandaar ook het belang van de juiste opportuniteitsvensters, niet enkel voor bedrijven, maar evenzeer voor O&O-instellingen. In de levenscyclus verlopen technologische ontwikkelingen dus logistisch, volgens de S-curve. Op het einde van de levenscyclus zal er zich een verschuiving voordoen naar een

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 32


nieuwe technologie (-curve). In deze fase nemen bedrijven nieuwe strategische posities in, worden vaak schokgolven gestuurd door de industrie en wordt het landschap van belangrijke spelers vaak grondig hertekend. Een lange-termijnstrategie is dan ook van cruciaal belang voor de overlevingskansen van de spelers om de impact van in-enuit levenscycli evoluties tijdig in te schatten.

> 2.4 EEN NIEUW BUSINESSMODEL De benadering van de industrie op het vlak van de bescherming van intellectueel eigendom is de laatste jaren grondig veranderd. In het verleden werd quasi alle onderzoek en ontwikkeling uitgevoerd binnen de onderzoeksafdeling van het bedrijf, die daarmee automatisch ook exclusieve eigendomsrechten verkreeg op haar eigen onderzoeksresultaten. Gaandeweg gingen de bedrijven ook meer en meer onderzoek gaan uitbesteden omdat ze niet langer alles in huis tijdig konden onderzoeken. Toch gingen, in het verleden, de resultaten van dergelijk uitbesteed onderzoek nog steeds exclusief naar het bedrijf die hiervoor de opdracht gaf. Vaak was het een relatie waarbij individuele problemen voor individuele bedrijven opgelost werden door een universiteit of een onderzoeksinstelling. Naarmate de complexiteit toenam, alsook de kosten, terwijl de tijdsvensters korter werden en talent structuFIGUUR 14 >

reel schaarser werd, en er tezelfdertijd steeds meer technologische opties simultaan dienden onderzocht te worden, ontstond stilaan een nood aan nieuwe vormen van samenwerking in het O&O-landschap. Een eerste belangrijke stap was het maken van een onderscheid tussen bredere, vaak multi disciplinaire, generieke problemen, die een bredere klasse van bedrijven interesseerden en zeer bedrijfsspecifieke problemen, die doorgaans ook een sterkere bedrijfsconfidentiële achtergrondinformatie vergden. Deze laatste soort resultaten, vaak ook dichter bij de producten zelf van een bedrijf, bleef de basis voor sterke differentiatoren. De intellectuele eigendomsrechten (IER) bleven dan ook exclusief eigendom van de opdrachtgever. De meer generieke resultaten, daarentegen, als antwoord op bredere generieke problemen, werden in toenemende mate opgelost op een kostendelende en risicodelende basis tussen een groep van bedrijven die bereid was samen te werken binnen eenzelfde onderzoeksprogramma en die dan ook bereid waren dergelijke IER te delen met IMEC- zonder dat beide partijen elkaar enige rekenschap verschuldigd waren - en dus de facto ook onderling. IMEC kon dergelijke resultaten in mede-eigendom immers hergebruiken naar de andere partners in hetzelfde onderzoeksprogramma. Op heden wordt deze benadering internationeel erkend als zijnde het beste model om de

de evolutie naar een combinatie van exclusieve eigendomsrechten op kennis en generische kennis die mede-eigendom van andere bedrijven en onderzoeksinstellingen is.

TRADITIONEEL

TOEKOMST

Intern onderzoek Exclusieve eigendomsrechten

Bedrijfsspecifieke kennis Exclusieve Eigendomsrechten

Generisch technologieonderzoek Samenwerkingsverbanden Delen van kosten en risico Mede-eigendom van kennis Belang van herbruikbaarheid

32

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 33

IWT-STUDIES > >> 44


snel toenemende kosten en complexiteit van het onderzoek tijdig het hoofd te bieden. De “markt” bevestigt deze trend in de feiten al de voorbije 10 jaar. In de veranderende onderzoeksomgeving, gedreven door een toenemende nood aan samenwerkingsmodellen en hergebruik van kennis, dienen bedrijven hun benadering van kennisbescherming dan ook aan te passen. In de toekomst zal de industrie meer en meer generische technologie ontwikkelen door middel van samenwerkingsverbanden, op een kosten- en risicodelende basis, waarbij de resulterende intellectuele eigendom gedeeld wordt. De bedrijfs- (en dus product-) gerelateerde uitdagingen en ontwikkelingen blijven doorgaans het exclusieve eigendom van het bedrijf. IMEC, als onafhankelijk onderzoekscentrum, is uitstekend geplaatst om op deze trends in te spelen. De industrie verschuift immers meer en meer naar de vroegere fasen van de technologielevenscyclus, om zich beter te positioneren – te differentiëren - t.o.v. zijn concurrenten. Bedrijven wachten niet langer tot een strategisch belangrijk generisch - onderzoeksprogramma volledig uitgevoerd is door een extern onderzoekscentrum, om een samenwerking af te sluiten voor technologietransfer. In tegendeel, in de vroege fase van het onderzoeksprogramma, waarin de uitdagingen en “roadblocks” waarmee alle industriële spelers te kampen hebben, aangepakt worden, trachten bedrijven nu meer en meer het FIGUUR 15 >

onderzoek te co-financieren, op voorwaarde dat zij vroege inzage krijgen in de onderzoeksresultaten. De leercurve wordt tevens verkort door een snellere absorptie van nieuwe concepten, methoden en benaderingen die ontstaan in het programma, door het principe van industrieel residentschap. Hierbij sturen de bedrijven een senior onderzoeker voor de looptijd van het onderzoeksprogramma naar IMEC, om bij te dragen tot de uitvoering van het onderzoek, in team met IMEC-onderzoekers en andere industriële residenten. Tevens kunnen dergelijke senior residenten de beschikbare achtergrondinformatie van IMEC (nodig voor de exploitatie van de nieuwe voorgrondinformatie) optimaal absorberen en verwerken. Zij kunnen hun bedrijf ook beter inlichten over de doorbraken, zodat deze zo snel mogelijk vertaald kunnen worden in bedrijfsspecifieke “product roadmaps”. De partner krijgt hierdoor dus een aanzienlijk competitief tijdsvoordeel. Een succesvolle formule van O&O-samenwerkingen, die bovenstaande principes vertolkt, is het IMEC industrieel affiliatie programma (IIAP), geïntroduceerd in 1991. Vandaag wordt het concept wereldwijd erkend als een schoolvoorbeeld van internationale samenwerkingsverbanden voor onderzoek en ontwikkeling naar nieuwe generaties generische technologieën, die een bredere industriële communauteit aanspreken.

de interactie van IMEC met de industrie. Meer en meer verschuift de industrie naar de vroegere fasen van generische technologie-ontwikkeling.

IMEC Strategische know-how in onderzoeksdomein

Strategisch O&O programma gebaseerd op : visie, marktnoden, industriële roadmaps kritische massa en strategische know-how

Vroege inzage en delen van kosten/risico Snellere product roadmapping Tijdsvoordeel

Industriële partner

33

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 34


Een IIAP is een O&O-samenwerkingsverband dat bedrijven toelaat om zich te integreren in IMEC’s onderzoeksprogramma’s, en toch ruimte laat voor bedrijfseigen onderzoeksresultaten. Vandaag telt IMEC een 15-tal IIAP’s, waarbij in totaal een 60tal bedrijven betrokken zijn. Elk onderzoeksprogramma is gebaseerd op een bepaalde kritische massa aan strategische knowhow en IP (achtergrond informatie) in IMEC, een bepaalde visie op technologische trends en nieuwe marktontwikkelingen. Die visie wordt permanent getoetst aan de industrie, niet in het minst via deze partnerships. De opdeling van resultaten (mede-eigendom of exclusieve eigendom) wordt bij de aanvang van het programma voor elke partner zorgvuldig opgemaakt en via een bilateraal contract geregeld. FIGUUR 16 >

ductietoestellen en materiaalleveranciers) geeft een extra dimensie en beter inzicht in de uitdagingen om nieuwe technologiegeneraties te ontwikkelen; • elke partner krijgt toegang tot de informatie die gedeeld wordt door de andere partners; • het afvaardigen van één of meerdere onderzoekers (residenten) van de partners naar de IMEC’s onderzoeksteam creëert snel een kritische massa van onderzoekers die de ontwikkelingstijd – en dus ook de tijd tot marktintroductie – verder sterk doet afnemen. De grote uitdaging voor elk bedrijf is het bekomen van een unieke IP-Vingerafdruk (“IP-Fingerprint”). Beschouw een dergelijke IP-Vingerafdruk als een portefeuille

business model van IIAP-samenwerking.

Mede-eigendom

PARTNER A

Exclusieve eigendom

PARTNER B

Mede-eigendom

PARTNER E

IMEC Strategische know-how In onderzoeksdomein

IIAP O&O programma Resultaten (IP)

PARTNER C PARTNER D

De IIAP-formule voor O&O-samenwerking biedt een aantal hefboomeffecten voor de deelnemende partner: • elke partner betaalt maar een fractie van de totale kost van het onderzoeksprogramma; • het samenbrengen van verschillende bedrijven, vaak uit verschillende takken van de waardeketen van de chip (zoals chipproducenten, producenten van pro-

34

van sub-sets van IP van een bedrijf. Vroeger werd vaak gesteld dat alle sub-sets van IP de exclusieve eigendom dienen te zijn van het bedrijf opdat het bedrijf over een unieke IPVingerafdruk (unieke concurrentiepositie) zou kunnen beschikken. Dit is niet zo. Elke exclusieve sub-set van IP kost steeds meer geld en de levensduur ervan wordt vaak korter als gevolg van de snelle evolutie van technologie. Anderzijds zijn er voldoende

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 35

IWT-STUDIES > >> 44


exclusieve sub-sets van IP nodig om zich te differentiëren van de concurrentie. Het vinden van een economisch optimum met net voldoende exclusieve sub-sets van IP om uniek te zijn en niet teveel om de kosten nodeloos omhoog te jagen is de kunst! Het IMEC-model van IER, zoals hiervoor omschreven biedt hier een mogelijk antwoord op: naast de ontwikkeling van generische sub-sets van IP, die per definitie nietexclusief is (maar ook sterk het voordeel van o.m. kostendeling geniet in combinatie met vroege inzichten) biedt IMEC ook exclusieve (meer bedrijfsspecifieke) IP sub-sets aan als onderdeel van een overeenkomst. De industriële partner past in parallel (“in concurrency”) en binnen haar eigen bedrijfsmuren dergelijke meer generieke resultaten (“coowned IP”) toe op eigen vernieuwende interne innovatie (in processen of producten). Dergelijke interne innovaties en doorbraken zijn per definitie de exclusieve eigendom van het bedrijf in kwestie. De combinatie van de IMEC resultaten, zowel in mede-eigendom – R1, als deze in exclusieve eigendom van het bedrijf – R2 – maar tot FIGUUR 17 >

stand gekomen op IMEC, als die resultaten die daaruit intern door het bedrijf afgeleid werden (innovaties) bieden, in combinatie, het bedrijf een unieke IP-Vingerafdruk en dus een unieke competitieve situatie. De kennisportefeuille van een industriële partner van IMEC bestaat dus uit: • niet-exclusief intellectueel eigendom, afkomstig van IMEC en gedeelde eigendom met de partners van het onderzoeksprogramma (R1); • exclusief intellectueel eigendom, afkomstig van de samenwerking met IMEC, en sterk bedrijfsgericht (R2); • exclusief intellectueel eigendom, afkomstig van intern onderzoek van het bedrijf, sterk productgeoriënteerd. Op basis van die portefeuille dient een bedrijf de juiste strategische oriëntatie te kiezen waarbij het unieke van de IPVingerafdruk of kennisportefeuille verzekerd wordt op een kosteffectieve manier, zodat het bedrijf met haar producten het verschil kan maken met de concurrentie, zowel technologisch als prijsmatig.

IP-Vingerafdruk: de kennisportefeuille in een bedrijf dient een unieke combinatie te vormen van gedeelde eigendom en exclusieve kennis.

INDUSTRIELE PARTNER

IMEC Mede-eigendom

IP

IP IP

IP1 IP2

IP7 IP8 IP6

Exclusieve eigendom

IP3 IP4

IP5 IP vingerafdruk van de partner is uniek

35

IP

= exclusieve IP - eigendom

IP

= niet exclusieve IP - eigendom

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 36


> 2 . 5 I N D U S T R I E I N T R A N S F O R M AT I E 2.5.1 De micro-& nano-elektronicasector

Het is duidelijk dat met de bovenstaande trends de industrieën voortdurend in beweging zijn. Nieuwe markten geven het ontstaan aan nieuwe spelers, en dwingen bestaande spelers vaak om sprongsgewijze te reageren of ten onder te gaan. De toenemende complexiteit, de stijgende kosten en snellere opeenvolging van de vraag naar nieuwe materialen, device-concepten en technologieën om nieuwe generaties chips te ontwikkelen, veranderen het landschap van de halfgeleiderindustrie in het nanotijdperk volledig. Traditioneel werden chips geproduceerd door de bedrijven die ze nodig hadden, t.t.z. de elektronicaproducenten zoals IBM, Philips en Siemens. Dit model van verticale integratie wordt steeds duurder met elke nieuwe technologiegeneratie. De sterk gestegen kost om een chipfabriek te bouwen en operationeel te houden is hier een belangrijke factor. Terwijl in 1990 een chipfabriek typisch een half miljard euro kostte, als basisinvestering bedraagt dit in 2003 2,0 a 2.5 miljard euro. De bedrijven die dit nog aankunnen, zijn sterk in aantal verminderd. Met andere woorden, de halfgeleiderindustrie is in volle consolidatie, maar blijft een zelfs toenemende nood aan onderzoek hebben, gelet FIGUUR 18 >

op het stijgend aantal mogelijke technologische opties die allen verkend dienen te worden. De kleinere bedrijven die dergelijke investeringen niet meer aankunnen, schakelen noodgedwongen over op een “fabless” model. Zij ontwikkelen wel chips, van concept tot volledig ontwerp, maar geven de eigenlijke productie uit aan derde partijen (subcontractors, ook “foundries” genoemd). Er vindt met andere woorden een verticale desintegratie plaats, van volledig geïntegreerde bedrijven naar onafhankelijke leveranciers van delen van de chipwaardeketen, zoals productie, ontwerpexpertise, intellectuele eigendom (bouwblokken), enz. In een dergelijk model van “fabless” bedrijven en “foundries”, zijn relaties en allianties cruciaal voor het succes van dit model. Bedrijven sluiten, omwille van de toenemende complexiteit maar ook interdependentie van expertisevelden, meer en meer strategische allianties, zelfs op research vlak, om toekomstige noden tijdig te kunnen waarborgen en vormen hiervoor in feite een soort “virtuele reïntegratie” van bedrijven in de chipwaardeketen. Het bovenvermeld business model van IMEC speelt daar volledig op in. De trend naar hergebruik van intellectueel eigendom (IP) past hier ook in. Intellectueel eigendom is de sleutel tot het succes om de steeds complexere chipsystemen tijdig en kosteffectief te ontwikkelen. Meer en meer

Evolutie van traditioneel verticaal geïntegreerde bedrijven waar alle aspecten van productontwikkeling in-huis gebeurden, naar een desintegratie model.

Volledig geïntegreed jaren ‘60

Fase 2 start desintegratie jaren ‘70

Fase 3 fabless jaren ‘80

Fase 4 chipless jaren ‘90

specs en integratie

specs en integratie

specs en integratie

specs en integratie

sales en distributie




systeemkennis IP

systeemkennis IP

systeemkennis IP

productie

productie

productietoestellen productietoestellen intern

systeemkennis IP productie

productie

productietoestellen

productietoestellen extern

36

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 37

IWT-STUDIES > >> 44


bedrijven bieden bouwblokken voor chipontwikkeling aan op de markt in de vorm van intellectueel eigendom. Systeemontwikkelaars kunnen die kopen en integreren in hun producten. Dit heeft het voordeel dat bedrijven zich meer kunnen toeleggen op hun core business, het ontwerp, de ontwikkeling en commercialisatie van systemen. 2.5.2 Convergerende industrieën

In een ruimere context doen nieuwe technologische realisaties en doorbraken nieuwe opportuniteiten ontstaan voor bestaande en nieuwe bedrijven. De hoger vermeldde trend naar convergentie van technologieën zal hier een unieke rol spelen. Nanotechnologie en de realisatie van een intelligente omgeving zullen sterk bijdragen tot deze trend. De impact van nanotechnologie kan verwacht worden in een brede waaier van domeinen: materialen en productie, nano-elektronica en computertechnologie, geneeskunde en gezondheid, luchtvaart en ruimtevaart, milieu en energie, biotechnologie en landbouw, enz. Toch zullen de meeste nanotechnologische toepassingen zich, om kostenredenen, vaak zoveel mogelijk enten op bewezen CMOS-technologie (“nano inside” of “nano around silicon”). Enkele voorbeelden: • Het gebruik van nanotechnologie verandert op fundamentele wijze de manier waarop materialen en componenten zullen geproduceerd worden, waarop ze met hun omgeving zullen interageren, en intelligentie zullen kunnen ingebouwd krijgen. Dit zal leiden tot nieuwe producten, met nieuwe product designs en zal nieuwe afzetmarkten doen ontstaan. • De toenemende samensmelting van nanoelektronica met biotechnologie opent ongekende mogelijkheden, met tal van toepassingen op het vlak van gezondheid en het verhogen van de kwaliteit van ons leven. • De voedselindustrie zal geleidelijk aan verschuiven naar nieuwe functionele voedingselementen (“functional food”) die

37

zullen toegevoegd worden aan ons voedsel, om onze gezondheid te verbeteren. Deze “traditionele” industrie zal daarmee grondig van aanzien veranderen. • Intelligentie wordt meer en meer verspreid en ingebouwd, meestal gebaseerd op een combinatie van technologieën. Dankzij de doorgedreven connectiviteit, al dan niet draadloos, worden continu nieuwe diensten aangeboden. De recente samenwerking tussen GSM-operatoren en Banksys om betalingsdiensten aan te bieden via GSM is daar een goed voorbeeld van. De dienstenindustrie ondergaat hierdoor permanent transformaties.

> 2.6 HET UITDEININGSEFFECT Onderzoek en ontwikkeling dient steeds geïntegreerd te zijn in de maatschappij waarbinnen het plaatsvindt, m.a.w. het staat er nooit los van. Dit geldt in het bijzonder voor toegepast onderzoek, dat een economische finaliteit nastreeft. De hoofdtrend, beschreven in deze studie, namelijk het streven naar een intelligente omgeving, neemt hierin een centrale rol. De ontwikkeling van een intelligente omgeving vereist immers een waaier van technologieën die trachten intelligentie in te bouwen in producten en diensten op een zeer mensvriendelijke manier. Zoals reeds eerder aangehaald heeft dit impact op alle industriële sectoren, niet alleen bedrijven actief in de ICT-sectoren, maar tevens in de meer traditionele industrie, alsook in de dienstensector. Intersectoriële impact is bij uitstek terug te vinden in de invloed die de micro- en nanoelektronica heeft op andere industriële sectoren. De geïntegreerde schakeling, de chip, is immers het hart van alle elektronische toestellen (computers, consumentelektronica, telecommunicatie, automotive elektronica, industriële elektronica, lucht- en ruimtevaart, …) en zal dit nog meerdere decennia blijven. De steeds krachtiger chips zorgen voor toenemende functionaliteit en performantie, meestal gecombineerd met dalende prijzen per eenheid van functionaliteit. Dankzij de evolutie van de chiptechnologie ontstaan regelmatig vernieuwde

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 38


producten of diensten en zelfs totaal nieuwe producten en hieraan gekoppelde diensten (zoals bvb de DVD-speler, de GSM, de koppeling met mobiele betaaldiensten, GSM/GPS-koppeling,” remote servicing”, opafstand monitoring, …).

gie in virtueel alle industriële sectoren, is vergelijkbaar met de uitdeining van een rimpeling in het water, vandaar de term uitdeiningseffect. Het belang van voldoende onderzoek en ontwikkeling in technologieën zoals chiptechnologie (maar ook digitale communicatie, biotechnologie en andere generische technologiedisciplines) kan niet genoeg onderstreept worden. In de kenniseconomie van vandaag is de snelle en diepgaande toegang tot dergelijke knowhow van strategisch belang en een motor voor de groei van een regionale economie op lange termijn, zowel via innovatie in bestaande bedrijven, als het continue ontstaan van nieuwe high-techbedrijfjes. In Vlaanderen heeft de Vlaamse regering dit reeds lange tijd begrepen, getuige daarvan o.m. de continue steun aan onderzoeksinstituten zoals VIB (biotechnologie) en IMEC (micro-elektronica en nanotechnologie).

Elektronische toestellen zijn op hun beurt de functionele ruggengraat van tal van andere sectoren, niet alleen in de ICT-sector, zoals bvb. telecommunicatie, maar, belangrijker nog, in geavanceerde productieapparatuur in niet-ICT sectoren, in systemen voor procesautomatisering, in apparaten voor de biotechnologie, in weersvoorspellingen, in milieubewaking, …. enz. Zo leiden ze zelfs o.m. tot belangrijke vernieuwingen in de textielindustrie, visvangst, chemie, enz. Dit fenomeen, de impact van nieuwe ontwikkelingen op het vlak van chiptechnoloFIGUUR 19 >

Voorbeeld van een gap-analyse

Geneeskunde Biotech

Bouw Data-processing (PC’s, servers, smart cards,...)

Milieu

Metaal

Systeemontw. Lucht-, ruimtevaart en militaire elektronica

Communicatie elektronica

Microsystemen Voeding

Microelektronica

Consum. elektronica

IC-productie.

Verpakkingen Automotive elektronica Textiel

Energie

Industriële elektronica

Elektronica-industrie ICT-sector Financiele instellingen

38

Chemie

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 39

IWT-STUDIES > >> 44

Hoofdstuk 3

CONCLUSIES

De huidige technologische evoluties zijn zonder weerga. De oorzaak hiervan is tweeledig. Enerzijds evolueren wetenschap en technologie in domeinen waar de uitdagingen groter zijn dan ooit tevoren. Microelektronicaonderzoek heeft de baan moeten ruimen voor nano-elektronica. Deze doorgedreven miniaturisatie van elektronische schakelingen heeft tot gevolg dat conventionele chipmaterialen en transistorstructuren niet meer betrouwbaar kunnen gebruikt worden. De daaruit voortvloeiende nieuwe technologische uitdagingen vragen om een nieuwe aanpak. Daarbij zijn nieuwe methodes nodig om de uiterst complexe chips op een efficiënte manier te ontwerpen. Draadloze communicatie waarbij universele toegang, interactiviteit, bandbreedte en miniaturisatie centraal staan, is een tweede noodzakelijk gegeven om de intelligente omgeving te realiseren. Tenslotte dienen nieuwe technologieën in te staan voor een gebruiksvriendelijke interface en een gedistribueerd netwerk van micro-elektromechanische systemen en sensoren om de interactie met de omgeving te verzorgen. Anderzijds is er een duidelijke trend van en een noodzaak om technologieën meer te laten convergeren. De overgang van technologieën naar de nanowereld brengt deze technologieën dichter bij elkaar en doet nieuwe toepassingen en diensten ontstaan. Een ware verandering in denkwijze is dan ook nodig. Het zijn niet langer micro-elektronici die de nieuwste snufjes ontwikkelen, maar een team van elektronici, fysici, ingenieurs, chemici, biotechnologen en medici. Interdisciplinariteit en grensoverschrijdend wetenschappelijk en technologisch onderzoek zijn een must. Dit wordt zonder de twijfel dé trend van de 21ste eeuw: het samengaan van nanotechnologie, biotechnologie, informatietechnologie en cognitieve wetenschappen. De trend naar een dergelijk nieuw technologisch platform impliceert dan ook een nieuwe denkwijze in het bedrijfsleven. De traditionele wijze van kenniscreatie binnen een bedrijf om een product of dienst te ontwikkelen, wordt meer en meer ontoereikend. Door de toegenomen complexiteit

39

van nieuwe – vooral generische - technologieën worden O&O-samenwerkingsverbanden een absolute noodzaak. IMEC, als onafhankelijk onderzoekscentrum, speelt hierin een cruciale rol. Met dit doel werden industriële affiliatieprogramma’s uitgebouwd, de zogenaamde IIAP’s, waar IMEC, samen met bedrijven en andere onderzoeksinstituten in een gemengd onderzoeksteam nieuwe technologieën ontwikkelt. De resultaten uit gezamenlijk generisch technologieonderzoek zijn niet langer het exclusieve eigendom van één bedrijf, maar mede-eigendom van alle partners. Elke partner stelt op basis van deze niet-exclusieve eigendomsrechten en de exclusieve eigendom op bedrijfs- en productspecifieke knowhow haar IP-vingerafdruk samen. Deze IP-vingerafdruk is uniek voor het bedrijf en zorgt voor de differentiator met concurrenten. De convergentie van technologieën opent nieuwe mogelijkheden voor producten en diensten. Dit initieert reeds vandaag nieuwe ideeën en initiatieven. Nieuwe bedrijven en zelfs nieuwe industriële sectoren doen hun intrede. Vaak zijn zij actief in een combinatie van verschillende domeinen: nano-elektronica en computertechnologie, gezondheidszorg en geneeskunde, ecologie en energie, enz. Tenslotte is de impact van deze nieuwe micro-elektronische revolutie ook onrechtstreeks merkbaar in andere industriële sectoren. Nieuwe chips vormen de kern achter de elektronica industrie. Elektronische apparaten vormen op hun beurt de functionele ruggengraat van quasi alle andere industrieën. Nieuwe technologische ontwikkelingen geven op die manier op termijn een golfeffect (of uitdeiningseffect) doorheen de ganse industrie, vergelijkbaar met een rimpeling in het wateroppervlak.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 40

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 41

IWT-STUDIES > >> 44

BIJLAGE: LEXICON

AFM BAN CVD HW IC ICT IER IIAP IP ITRS MCM-D MEMS MOPS nEMS O&O OFDM POC QCM QoS R&D ROI SiP SNOM SoC SRP STM SW UMTS WAN WLAN WPAN

atomic force microscopy body area network chemical vapor deposition hardware integrated circuit informatie- en communicatietechnologie intellectuele eigendomsrechten IMEC industrieel affiliatie programma intellectueel eigendom – intellectual property International Technology Roadmap for Semiconductors dunne-film multi-chip-module micro-elektromechanische systemen million operations per second nano-elektromechanische systemen onderzoek en ontwikkeling orthogonal frequency division multiplexing point-of-care quartz crystal microbalance quality of service research and development return on investment systeem-in-een-verpakking scanning near-field optical microscopy systemen op een chip scanning resistance probe measurements scanning tunneling microscopy software universal mobile telecommunications system wide area network wireless local area network wireless personal area network

41

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 42

R E E D S V E R S C H E N E N B I J H E T I W T- O B S E RVAT O R I U M

VTO-STUDIES:

1/

Het Vlaams Innovatiesysteem: een nieuw statistisch beleidskader 1annex/ Theoretische en empirische bouwstenen van het ‘Vlaams Innovatie Systeem’

2/

Innovatiestrategieën bij Vlaamse industriële ondernemingen

3/

Octrooien in Vlaanderen: technologie bekeken vanuit een strategisch perspectief Deel 1: Octrooien als indicator van het technologiesysteem

4/

De impact van technologische innovaties op jobcreatie en jobdestructie in Vlaanderen

5/

Strategische verschillen tussen innovatieve KMO’s : Een kijkje in de zwarte doos

6/

Octrooien in Vlaanderen: technologie bekeken vanuit een strategisch perspectief Deel 2: Analyse van het technologielandschap in Vlaanderen

7/

Diffusie van belichaamde technologie in Vlaanderen: een empirisch onderzoek op basis van input/outputgegevens 7 annex/ Methodologische achtergronden bij het empirisch onderzoek naar de Vlaamse technologiediffusie

8/

Schept het innovatiebeleid werkgelegenheid?

9/

Samenwerking in O&O tussen actoren van het “VINS”

10/ Octrooien in Vlaanderen: technologie bekeken vanuit een strategisch perspectief Deel 3: De internationale technologiepositie van Vlaanderen aan de hand van octrooi posities Deel 4: Sporadische en frequent octrooierende ondernemingen : profielen 11/ Technologiediffusie in Vlaanderen. Enquêteresultaten - Product- en diensteninnovatie: evolutie 1992-1994-1997 12/ Technologiediffusie in Vlaanderen. Enquêteresultaten - Hoogtechnologische producten: evolutie 1992-1994-1997 13/ Technologiediffusie in Vlaanderen. Enquêteresultaten - Procesautomatisering: evolutie 1992-1994-1997 14/ Technologiediffusie in Vlaanderen. Methodologie en vragenlijst 15/ Financiering van innovatie in Vlaanderen. Het aanbod van risicokapitaal. 16/ Product- en diensteninnovativiteit van Vlaamse ondernemingen. Enquêteresultaten 1997 17/ Adoptie van procesautomatisering en informatie- en communicatietechnologie in Vlaanderen. Enquêteresultaten 1997 18/ Performantieprofiel en typologie van innoverende bedrijven in Vlaanderen. Waarin verschillen innoverende bedrijven van niet-innoverende bedrijven. Enquêteresultaten 1997 19/ De werkgelegenheidsimpact van innovatie: is de aard van de innovatie-strategie belangrijk? 20/ Samenwerking in O&O tussen actoren van het “VINS” Deel 2: Samenwerking in een aantal specifieke technologische disciplines

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 43

I W T- S T U D I E S :

21/ Clusterbeleid: Een innovatie instrument voor Vlaanderen? Reflecties op basis van een analyse van de automobielsector 22/ Benchmarken en meten van innovatie in KMO’s 23/ Samenwerkingsverbanden in O&O en kennisdiffusie 24/ Financiering van innovatie in Vlaanderen. De venture capital sector in internationaal perspectief 25/ De O&O-inspanningen van de bedrijven in Vlaanderen - De regionale uitsplitsing van de O&O-uitgaven en O&O-tewerkstelling in België 1971-1989 26/ De O&O-inspanningen van de bedrijven in Vlaanderen - Een perspectief vanuit de enquête voor 1996-1997 27/ Identificatie van techno-economische clusters in Vlaanderen op basis van input-outputgegevens voor 1995 28/ The Flemish innovation system: an external viewpoint 29/ Geïntegreerd innovatiebeleid naar KMO’s toe. Casestudie: Nederland 30/ Clusterbeleid als hefboom tot innovatie 31/ Resultaten van de O&O-enquête bij de Vlaamse bedrijven 32/ ‘Match-mismatch’ in de O&O-bestedingen van Vlaamse en Belgische bedrijven in termen van de evolutie van sectoriële aandelen 33/ ‘Additionaliteit’- versus ‘substitutie’-effecten van overheidssteun aan O&O in bedrijven in Vlaanderen: een econometrische analyse aangevuld met de resultaten van een kwalitatieve bevraging 34/ Het innovatiebeleid in Ierland als geïntegreerd element van het ontwikkelingsbeleid: van buitenlandse investeringen naar ‘home spun growth’ 35/ ICT Clusters in Flanders: Co-operation in Innovation in the New Network Economy 36/ Het fenomeen spin-off in België 37/ KMO-innovatiebeleid levert toegevoegde waarde aan Vlaamse bedrijven 38/ Technology watch in Europa: een vergelijkende analyse 39/ ICT-Monitor Vlaanderen: Eindrapport van een haalbaarheidsstudie 40/ Innovation policy and sustainable development: can public innovation incentives make a difference? 41/ Spinning off new ventures: a typology of facilitating services 42/ Research mandates for technology transfer: International policy 43/ Subregionale O&O-inspanningen van de bedrijven in Vlaanderen 44/ De intelligente omgeving: de noodzaak van convergerende technologieën en een nieuw businessmodel

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 44

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 45

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 46

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 47

Biografie KATRIEN MARENT Katrien Marent studeerde in 1992 af als ingenieur micro-elektronica. Ze startte haar loopbaan op IMEC als ontwerpingenieur van analoge chips voor ladingsdetectoren. In 1999 werd ze wetenschappelijk redacteur in IMEC’s business development afdeling waar ze instond voor de redactie van nieuwsbrieven, jaarverslagen en wetenschappelijke artikels. Sedert 2001 is ze verantwoordelijk voor corporate communicatie op IMEC.

JAN WAUTERS Jan Wauters studeerde in 1987 af als Licentiaat Natuurkunde aan de K.U.Leuven, en behaalde in 1993 zijn doctoraat in de wetenschappen. Van 1987 tot 1996 verrichtte hij fundamenteel onderzoek in de expermentele kernfysica achtereenvolgens aan de K.U.Leuven en de University of Tennessee, Knoxville (Verenigde Staten). In die periode was hij auteur van meer dan 100 artikels in wetenschappelijke tijdschriften en conferentieproceedings. In 1996 startte hij zijn carrière bij IMEC als achtereenvolgens wetenschappelijk redacteur, coordinator strategisch trainingsinitiatief en strategisch adviseur. Sinds 2001 is hij verantwoordelijk voor marketingcommunicatie.

JOHAN VAN HELLEPUTTE Johan Van Helleputte studeerde in 1974 af als licentiaat Toegepaste Economische Wetenschappen aan de Universiteit Antwerpen (UFSIA), en behaalde vervolgens een M.A. in economie aan de K.U.Leuven en een M.B.A. in financiële wetenschappen aan de Vrije Universiteit Brussel. Hij startte zijn loopbaan als junior professional officer bij de United Nations Development Program in Rabat (Marokko). Vervolgens was hij sales coordinator bij Raychem Corporation, marketing & sales advisor bij Tractionel en proposal manager bij Tractionel Electrobel Engineering. In 1986 vervoegde hij IMEC als coördinator van de IMEC spin-off cel en werd in 1991 aangesteld als vice president Business Development, verantwoordelijk voor de bescherming en commercialisatie van IMEC’s onderzoek en ontwikkeling, en de samenwerking met IMEC’s partners in Vlaanderen en wereldwijd. Sinds 1991 is hij als vice president Strategic Development Unit verantwoordelijk voor de strategische ontwikkelingen van IMEC.

IWT/studie44

definitief

3/26/03

5:58 PM

Page 48

WAT I S H E T I W T ? Het Instituut voor de Aanmoediging van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen (IWT-Vlaanderen) is een autonome overheidsinstelling, opgericht in 1991 door de Vlaamse regering, voor de ondersteuning van de industriële O&O in Vlaanderen. Hiervoor beschikt het IWT-Vlaanderen over verschillende financieringsinstrumenten waarmee jaarlijks bijna 200 miljoen euro financiële steun wordt verleend. Daarnaast is er ook dienstverlening aan de Vlaamse bedrijven op het gebied van technologietransfert, partner search, voorbereiding van projecten in Europese programma’s, enz....

WAT I S H E T I W T- O B S E RVAT O R I U M ? Het IWT-Observatorium (Innovatie-Wetenschap-Technologie-Observatorium) is een afdeling van het IWT-Vlaanderen, gericht op beleidsondersteuning d.m.v. beleidsindicatoren en beleidsstudies. Het IWT-Observatorium organiseert technologie-enquêtes en verzamelt indicatoren over O&O- en innovatie-inspanningen van de bedrijven in Vlaanderen. De belangrijkste opdracht van het IWT-Observatorium is echter de organisatie van innovatiestudies, met steun van externe onderzoeksgroepen, voor de verdieping van de kennis over het Vlaams Innovatiesysteem, benchmarking met buitenlandse (beleids)ervaring, introductie van nieuwe inzichten uit de innovatietheorie, ontsluiting van de gegevens van gespecialiseerde enquêtes en databanken. Tot eind 1998 stond het IWT-Observatorium bekend onder de naam Vlaams Technologie Observatorium (VTO).

Innovatie Wetenschap Technologie

Recommend Documents