Je leest:

De nieuwe computer

De nieuwe computer

Auteur: | 19 december 2006

Als je een computer hebt gekocht, moet je daarna niet meer naar een computerwinkel gaan. Nog voordat je thuis de doos hebt opengemaakt, is de prijs al gezakt. Computeronderdelen worden steeds kleiner, sneller en goedkoper. Steeds verdubbelden de prestaties. Kan dat eindeloos zo door blijven gaan?

Nee. Er zijn grenzen aan het verkleinen van elektronica. De kleinste onderdeeltjes op een chip meten nu 250 nanometer, ofwel enkele duizenden atomen. Natuurkundigen dromen al van details op een chip die hooguit enkele atomen groot zijn. Er zijn echter twee problemen om zover te komen. Op dit moment is er geen apparatuur om zulke kleine details aan te brengen op een chip. Bovendien veranderen de elektrische eigenschappen als de schakelingen zo klein worden.

Onderdelen op chips in computers worden steeds kleiner, maar er is een grens. Die zal binnen afzienbare tijd worden bereikt. Doordat extreem kleine draden op de schaal van atomen komen, hebben ze andere eigenschappen dan hun grotere broers. Bron: PJRC

Tot nu toe worden de patroontjes aangebracht met laserlicht. Eerst werden rode lasers gebruikt, maar langzamerhand zijn blauwe en ultraviolette lasers nodig. Hoe korter de golflengte, hoe fijner de details namelijk zijn die kunnen worden aangebracht. Een blauwe laser kan dus kleinere details tekenen dan een rode. Wat moet er gebeuren als straks zelfs de mogelijkheden van kortgolvige ultravioletlasers zijn uitgeput? Misschien kunnen de chips atoom voor atoom worden opgebouwd (zie de Kleinste Bouwwerken). Een ander idee is een precisiebombardement met atomen.

Natuurkundigen in de VS en Japan zijn erin geslaagd om atomen door een minuscuul buisje naar het oppervlak van een chip te geleiden. De Japanner Haruhiko Ito van de universiteit van Kanagawa wist op die manier een nauwkeurigheid te bereiken die vergelijkbaar is met de huidige chiptechnologie. Maar het kan nog veel beter, denkt hij. In zijn onderzoeksverslag legt hij uit hoe hij uiteindelijk atomen denkt te manipuleren met een nauwkeurigheid van enkele nanometers.

Er zijn ook andere manieren om atomen te richten. Zo bouwen natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam een apparaat waarin ze atomen uiterst precies kunnen laten kaatsen tegen een ondoordringbare muur van lichtdeeltjes. Ze maken daarbij gebruik van de technieken van laserkoeling. Aan de Katholieke Universiteit Nijmegen drijven natuurkundigen atomen in scherpe lijntjes op een oppervlak bij elkaar door ze te vangen in het golfpatroon van licht. Dat gaat nog met miljoenen atomen tegelijk, maar onderzoekers hebben wetenschappelijke fantasie. Ze realiseren zich dat het straks met duizenden atomen zou kunnen. Daarna misschien met tientallen. Ooit kunnen ze misschien individuele atomen heen en weer kaatsen. Misschien zijn hun experimenten het begin van een microscopisch biljartspel, waarbij de atomen met gerichte tikjes precies naar de juiste plaats gedirigeerd worden.

Geleiding van atomen

Zo wordt hard gewerkt aan ideeën en plannen om op chips details aan te brengen van enkele tientallen atomen breed. Als dit onderzoek een bruikbare techniek oplevert, kunnen we voorlopig nog even voort met het verkleinen van chips. Maar er is een grens. Die grens ligt op het punt dat de details zo klein worden dat de verandering van elektrische eigenschappen hinderlijk wordt. Natuurlijk kan een draadje van één atoom breed nog elektriciteit geleiden (zie de Kleinste Bouwwerken). De afmetingen zijn dan echter zo klein, dat elke beweging van elk afzonderlijk elektron belangrijk wordt. Elk elektron geeft een merkbare verandering in de schakeling. Dat betekent dat zo’n schakeling op een andere manier ontworpen moet worden. Dat is lastig, want de afzonderlijke elektronen bewegen nogal chaotisch. Die verschijnselen worden bij bredere draadjes niet opgemerkt door de grotere stromen die daarin kunnen lopen. De individuele elektronen gaan onder in de massa. Zestien miljoen Nederlanders zijn allemaal eigenzinnige individuen, maar je weet zeker dat de pleinen van Amsterdam en Rotterdam vol stromen als Oranje gewonnen heeft. Het gemiddeld gedrag van zoveel mensen is tamelijk voorspelbaar.

Het wispelturige gedrag van afzonderlijke elektronen zorgt voor stooreffecten, die maken dat de computer onbetrouwbaar wordt. Dat is dan ook de kleinste grens van de huidige computertechnologie. Wie nog kleiner wil, kan niet meer gebruik maken van de componenten waaruit nu een chip is opgebouwd, transistoren en draadjes. Vandaar dat nu al op veel plaatsen alternatieve technieken worden ontwikkeld voor nog kleinere elektronica.

Kleiner is niet meer sneller

Lange tijd gold: hoe kleiner de chip, hoe sneller. Als afstanden tussen de verschillende onderdelen van een chip kleiner worden, kunnen ze sneller worden overbrugd. Processoren die een snelheid van 2 GHz hebben, gebruiken minder dan een miljardste deel van seconde voor één bewerking. Maar de snelheid van chips kan niet eindeloos worden opgevoerd. Het duurt altijd even voordat een elektrisch stroompje op gang komt. Die opstarttijd kun je niet verkorten. Dat zorgt voor een grens aan de schakelsnelheid van een computer.

Er wordt echter gewerkt aan ideeën om sneller te kunnen schakelen, bijvoorbeeld met een quantumcomputer. Eén van de mogelijkheden is om gebruik te maken van het zogeheten tunnelingseffect, dat zich afspeelt rond flinterdunne isolatielaagjes. Dat gaat razendsnel. Dit verschijnsel blijkt zich prima te lenen voor manipulatie van stroompjes in de quantumcomputer. Elektronische componenten, die gebaseerd zijn op dit fenomeen, zijn al uitvoerig uitgetest. Al in de jaren zeventig bouwde IBM een computer die gebaseerd is op dit principe. Er was toen echter extreme afkoeling nodig om dit tunnelingseffect te bereiken. De techniek brak daarom niet door. Nu de isolatielaagjes veel dunner gemaakt kunnen worden, treedt het tunnelingseffect ook op bij kamertemperatuur. Zo kunnen in principe razendsnelle chips worden gemaakt met kleinere details en snellere schakelingen dan met de huidige technieken mogelijk is. In principe, want de ontwikkeling staat nog aan het begin. Onderzoekers moeten nog ervaring opdoen met de benodigde technieken en veel praktische problemen overwinnen.

Computers kunnen, voor bepaalde soorten klussen, in theorie veel sneller worden gemaakt door ze te laten werken met principes uit de kwantummechanica. Een chip die zo werkt, wordt op dit moment een qubit genoemd. Hier is er een, gemaakt door onderzoekers uit Delft, bij steeds toenemende vergroting onder een microscoop te zien. Bron: Vakgroep Quantumtransport, Technische Universiteit Delft

Bron: Vakgroep Quantumtransport, Technische Universiteit Delft

Bron: Vakgroep Quantumtransport, Technische Universiteit Delft

Het bijzondere van de quantumcomputer is dat hij gebruik maakt van een kernbegrip uit de quantummechanica: een deeltje kan onder bepaalde omstandigheden op twee plaatsen tegelijk zijn. Probeer je je dat in dagelijkse omstandigheden maar niet voor te stellen. Daar gebeurt dat niet. Als zo’n deeltje drager van informatie is, kan dat deeltje twee verschillende getallen voorstellen. Op basis van dit principe werken natuurkundigen aan de Technische Universiteit Delft onder leiding van professor Hans Mooij aan de bouwsteen, de quantumbit, voor zo’n computer. Met tienduizend van die bouwstenen zal zo’n computer sneller zijn dan de snelst denkbare computer die we nu hebben. Voor het zover is, zijn we wel zeker twintig jaar verder, denkt Mooij.

Informatie opslaan

Bij het maken van een computer gaat het niet alleen om het maken van snelle schakelingen, maar ook om het opslaan van gegevens. Ook computergeheugens worden daarom zo klein mogelijk gemaakt. De onderzoeksgroep van Lingjie Guo aan de universiteit van het Amerikaanse Minnesota is erin geslaagd om een computergeheugen te maken met afzonderlijke elektronen. Elk elektron stelt daarbij een één of een nul voor. Het is niet zo moeilijk om ergens een lading van één elektron aan te brengen. Het is echter de kunst om later op een eenvoudige manier te zien of er wel of geen elektron op die geheugenplaats zit. Wat heb je tenslotte aan een geheugen waaruit je alleen met grote moeite informatie kunt halen? De onderzoekers slaagden erin om een minuscuul versterkertje op een chip te construeren, dat zó gevoelig is dat het beïnvloed wordt door één enkel elektron dat in de buurt is. Aan het gedrag van het versterkertje kun je dus merken of er wel of geen elektron aanwezig is. Zo kun je constateren op welke geheugenplekken elektronen zitten. De geheugens die met deze techniek werden gemaakt, zijn tien maal zo klein als de gebruikelijke. Voorlopig kunnen nog maar een paar bits met deze methode worden opgeslagen. Dat is nog ver weg van de miljoenen bits die een moderne PC in zijn geheugen kan houden. Maar de onderzoekers analyseren in hun wetenschappelijke rapportage wel welke weg er nog afgelegd moet worden, om zover te komen.

Rekenen met tolletjes

Nog een ander idee is om microelektronica te maken die niet, zoals gebruikelijk, werkt met de elektrische lading van het elektron, maar met het feit dat men zich het elektron ook als een draaiend tolletje kan voorstellen. Door die draaiing gedraagt een elektron zich in een magneetveld als een magneetje. Die eigenschap heet de spin van het elektron. Onderzoekers hebben het daarom over spintronica.

In een magneetveld gedragen elektronen zich als tollende magneetjes. Ze kunnen linksom en rechtsom tollen. Daarvan proberen onderzoekers gebruik te maken voor een nieuw soort elektronica, de spintronica. Bron: Carolien Kooijman

Je kunt de spin gebruiken om informatie mee op te slaan, omdat je in een magnetisch materiaal de spin van de elektronen kunt vastleggen en later uitlezen. Dit wordt al toegepast voor harde schijven in computers. De opslagcapaciteit van die schijven wordt daardoor veel groter (bijvoorbeeld niet 1, maar 20 gigabyte). In ons land werken natuurkundigen aan de universiteiten in Groningen, Enschede en Eindhoven aan spintronica.

Zo zijn er veel ideeën om snellere en kleinere chips te maken. Lang niet elk idee zal bruikbaar blijken. Maar je moet ze allemaal onderzoeken om te weten welk idee het beste is. De quantumcomputer is een mooi idee, maar dat geldt ook voor de lichtcomputer. In zo’n computer wordt niet – zoals nu – gerekend met elektronen maar met lichtdeeltjes (zie Informatie overdragen met licht).

In een lichtcomputer moeten uiterst korte lichtpulsjes razendsnel iets op gang brengen. Israelische en Canadese natuurkundigen, onder leiding van Albert Stolow van de National Research Council of Canada, slaagden er bijvoorbeeld in ultrakorte lichtpulsjes te gebruiken om een chemische reactie te starten. Met een laserpuls konden twee verschillende soorten broom van elkaar worden gescheiden. Volgens de onderzoekers kan dat gebruikt worden voor het opslaan van gegevens. Dat gaat dan een miljoen maal sneller dan in de huidige processoren.

In plaats van broom zouden kleine structuren op een chip kunnen worden gebruikt. Wie weet worden dat wel micro-piramides. Er zijn al industriële processen ontwikkeld om piramides op chips te maken van enkele tientallen atomen. Dat is niet eenvoudig, want atomen zijn heel beweeglijk. De piramide verweert daardoor snel. Het is de kunst om de ondergrond stevig te laten aansluiten bij de piramide en te zorgen dat de afstanden tussen de atomen niet teveel verschillen. Ook de Egyptenaren zorgden voor grote regelmaat in de steenblokken. Dan past alles mooi op elkaar en blijft de structuur lang in stand. Onderzoekers denken dat de micro-piramides opgeladen kunnen worden met laserlicht.

Van lab naar bureau?

Voorlopig is een laboratorium vol apparatuur nodig om zoiets voor elkaar te krijgen. Zo gaat dat met ontdekkingen. Het kost jaren om zo’n nieuwe techniek onder de knie te krijgen en geschikt te maken voor industriële productie. Over twintig jaar zullen we misschien lachen om de ideeën die nu worden uitgewerkt in de laboratoria. Lang niet alles zal bruikbaar blijken. De basis van de computer, zoals die over 20 jaar op ons bureau staat, wordt echter nu gelegd. Wie weet hoe computers er tegen die tijd uitzien? Of waar we ze voor zullen gebruiken? Uiteindelijk zullen het de kopers zijn die bepalen of deze technieken gebruikt zullen worden. Als niemand behoefte heeft aan meer computergeheugen en snellere chips, komen ze er ook niet.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 december 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.