De naam voor het project is uitstekend gekozen. Het tangram is een Chinese puzzel, waarmee je met slechts zeven geometrische vormen praktisch oneindig veel ontwerpen kunt maken. Het is een analogie voor de apparaten van ASML, die net als andere hightech producten steeds ingewikkelder worden. “Gaat een nieuwe ASML-machine twee keer zoveel componenten bevatten, dan krijg je vier keer zoveel interacties tussen die verschillende componenten”, legt dr.ir. Jan Tretmans, onderzoeker van ESI, uit. Soms zijn die interacties zo ontworpen, maar soms zijn ze ongewenst. Wordt op de ene plek bijvoorbeeld een onderdeel verwarmd, dan kan het goed zijn dat een component een stukje verderop daar eigenlijk helemaal niet tegen kan. Het integreren en testen van componenten in hightech systemen zal dus meer en meer tijd in beslag gaan nemen; in sommige gevallen tot wel vijftig procent van alle tijd en kosten bij de ontwikkeling van een nieuwe machine. Een nieuwe aanpak voor het testen was dan ook dringend gewenst. Hierop richtte het onderzoeksproject Tangram zich.
Doel van het vier jaar lopende project was te onderzoeken of het testen en de integratie bij de bouw van een nieuwe ASML-machine beter kunnen met behulp van modelgebaseerde methodes. ‘Beter’ kan hier verschillende dingen betekenen. Goedkoper bijvoorbeeld, of met een hogere kwaliteit als resultaat. Voor ASML is het vanwege de hevige competitie met haar concurrenten juist van levensbelang om een nieuwe machine zo snel mogelijk naar de markt te kunnen brengen. Tangram was een samenwerking tussen ASML, het Embedded Systems Institute (ESI), de TU/e, de TU Delft, de Universiteit Twente, de Radboud Universiteit Nijmegen, TNO Science and Industry en Science and Technology BV. Binnen het project hebben vijf aio’s -vier van de TU/e en één uit Delft- hun promotiewerk gedaan.
In het project fungeerde ASML als het laboratorium voor het wetenschappelijk onderzoek van de projectmedewerkers. Hiervan zaten de meesten ook een paar dagen in de week gestationeerd bij ASML. “Door je mensen bij ASML neer te zetten, zorg je dat ze ook echt de probleemstelling gaan snappen. En de verschillende disciplines moeten bij elkaar zitten. Zo gaan de verschillende deelresultaten naadloos op elkaar aansluiten”, zegt directeur prof.dr. Ed Brinksma van ESI. De projectmedewerkers hadden waar nodig voor tests ook toegang tot delen van ASML-machines.
Maar wat zijn dat nou eigenlijk, modelgebaseerde methodes? Brinksma legt uit: “Wanneer klassieke ingenieurs, zoals architecten of vliegtuigbouwers, iets maken, bouwen ze eerst een model. Dat kan een schaalmodel zijn, een wiskundig model, of een numeriek model. Hiermee willen ze grote fouten al uit het ontwerp halen voordat ze het uiteindelijke ding gaan bouwen. Ben je eenmaal zover, dan is het vaak moeilijk en duur om de fout nog te herstellen.” Volgens Brinksma hadden softwareontwikkelaars deze gewoonte lange tijd niet. In het begin van de computertijd konden programmeurs hun regels code nog overzien en snappen wat het programma zou doen. Maar dat is sinds eind jaren zestig eigenlijk al voorbij. Inmiddels bevatten zelfs consumentenproducten als een televisie software met miljoenen regels code. Brinksma: “De software in een apparaat is regelmatig zelfs de meest ingewikkelde component. Daarom is het heel zinvol om ook bij het ontwerpen van software eerst een model te maken. Dat doet de industrie nog niet, programmeurs zijn er nog niet aan gewend. Maar je zult die extra inspanning zeker terugverdienen.”
Maar het nut van modelgebaseerde methoden beperkt zich niet alleen tot software. “Ook de integratie- en testprocessen kun je modelleren”, aldus Tretmans. “Bij ASML bijvoorbeeld heeft dat geleid tot een twintig procent kortere tijd die nodig is voor het testen en integreren van componenten.” De ESI-onderzoekers gebruikten een meer modelgebaseerde aanpak om de verschillende problemen te ordenen, die zich bij het testen voordoen. Het liefste los je namelijk meteen de belangrijkste foutmeldingen op, in plaats van eerst tijd te verspillen aan kleinere problemen en dán nog eens tegen grote fouten aan te lopen. Zo werd een testplan opgesteld, waarmee de volgorde van testen werd geoptimaliseerd. Tijdwinst: twintig procent.

Honderd keer sneller
ASML werkt met een zogeheten ‘zachte overgang’ van product naar klant. Dat wil zeggen dat het bedrijf een apparaat kort na de productie al bij een klant neerzet en het ter plekke gaat afstellen en inregelen. Tretmans: “Deed zich voorheen een groot probleem voor, dan kon het wel dagen duren voordat de ‘service engineers’ het hadden gevonden. De machine vertoonde bepaalde symptomen en op basis van kennis en ervaring gingen zij op zoek naar het euvel. De modellen die we in Tangram hebben gemaakt, kunnen op basis van een paar metingen in de machine terugrekenen wat er mis is.” Door de modelmatige aanpak kan men problemen in een nieuwe machine nu tot honderd keer sneller opsporen. Brinksma: “Hoe lang het vervangen van het betreffende onderdeel of printplaat duurt, is nu voortaan de beperkende factor.” Voor ASML pure tijdwinst, zodat de mensen weer op andere opstartproblemen kunnen worden ingezet.
Het Tangram-project loopt eind december af; de laatste aio’s promoveren begin volgend jaar. Samen met de vaste mensen van ESI hebben ze aangetoond dat met de modelgebaseerde benadering grote winst te behalen valt. Bij ASML zijn interne medewerkers nu bezig de ‘tools’ te optimaliseren en verder in te voeren.
Met Tangram heeft ESI al een belangrijke stap gezet, maar in de toekomst wordt het allemaal nog interessanter. De capaciteit van hardware groeit al decennialang explosief. Volgens de bekende -en nog steeds geldige- Wet van Moore verdubbelen belangrijke kentallen als geheugen en aantallen transistoren per vierkante millimeter elke twee jaar. “De mens heeft de natuurlijke neiging om die extra capaciteit te willen benutten”, aldus Brinksma. “Maar daarbij nemen we aan dat we daarbij ook voldoende goede en betrouwbare software kunnen ontwikkelen. En dat valt tegen. De softwareproductie groeit namelijk niet exponentieel, want die is gebaseerd op menselijke inspanningen. Nog wel. We denken nu namelijk na over het ontwerpen van software op basis van modellen. Daarbij gaan computers uiteindelijk het schrijven van de regels code van de mens overnemen.”/.

Over ESI

Het Tangram-project is slechts één van de negen projecten waaraan ESI-onderzoekers op dit moment werken. Het Embedded Systems Institute werkt als een netwerkinstituut. Dat houdt in dat de medewerkers verspreid over verschillende instellingen zitten. Tachtig procent werkt aan de drie technische universiteiten.
ESI baseert projecten meestal op vragen uit het bedrijfsleven. “Vaak zijn belangrijke problemen uit de industriële praktijk de aanleiding tot een onderzoeksproject”, vertelt ESI-directeur prof.dr. Ed Brinksma. “Het opzetten daarvan neemt veel tijd in beslag. In ongeveer een half jaar brengen we de problemen precies in kaart. We vragen ons af of onze expertise eigenlijk wel bij het probleem past. En zijn de oplossingen die we verwachten te kunnen leveren, na de looptijd van het project (drie tot vijf jaar) nog wel relevant?”
In het tweede half jaar vormt zich het consortium van partijen voor het project. Subsidies worden aangevraagd en de belangrijke ervaren mensen uit het bedrijf worden bij het project betrokken. Brinksma: “Dit is een lastige stap, want die mensen zijn natuurlijk heel druk. Maar het is wel cruciaal voor de relevantie van ons werk dat zij meedoen.”