Interview met universiteitshoogleraar Bram Nauta van de Universiteit Twente over de toekomst van zijn onderzoek naar computerchips

Vrijwel iedereen heeft zijn uitvindingen wel in handen gehad. Bram Nauta bedenkt namelijk slimmigheden voor chips, die in miljoenen apparaten zoals telefoons zijn gebruikt. De hoogleraar van de Universiteit Twente denkt dat het ontwerp van chips alleen maar belangrijker wordt om snelle telefoons en computers te blijven maken.

27 november 2015

Iedere dag weer bellen, mailen en surfen we op het internet via onze smartphones. Onder de motorkap zit fascinerende technologie. Maar eigenlijk zien we die nooit. Met schroefjes en plaatjes wordt het zorgvuldig afgeschermd van de buitenwereld.

Zonde, want die vele schakelingen, draadjes en processoren zijn nu juist zo spannend en interessant, benadrukt Bram Nauta. Ze zorgen ervoor dat jouw smartphone zo snel werkt. En Nauta leverde daar een belangrijke bijdrage aan. Hij doet al tientallen jaren onderzoek naar chips en is bedenker van de Nauta-schakeling, die als eerbetoon naar hem is vernoemd. Hij is de ongekroonde Nederlandse koning van de computerchips.

Bram Nauta is universiteitshoogleraar aan de Universiteit Twente en hoofd van de _integrated circuit design_-groep. Kennislink vroeg hem naar zijn fascinatie voor elektrotechniek, of we in de toekomst nog veel snellere chips kunnen verwachten, en waarom zwemmen tot betere chips leidt.

Wat spreekt u zo aan in het ontwikkelen van chips?

“Toen ik een tiener was, raakte ik gefascineerd door elektronica. Ik zat op de mavo en merkte dat je voor weinig geld dingen kon bouwen die nog niet bestonden. Toen ik opgroeide had je nog niet zoveel gadgets als nu. Ik wilde bijvoorbeeld graag een lampje dat knipperde op de beat van de muziek. Die was er nog niet, dus besloot ik het zelf te maken. Ik maakte aan een transistor een lampje en een muziekbron vast. Bij een dikke bas knipperde het lichtje hard. Dat vond ik geweldig. Later haalde ik veel materialen uit oude tv’s. Dan nam ik ze op de fiets mee en sloopte ze thuis. Tot grote ergernis van mijn moeder.”

Close-up van een draaiknop van een transistor. — Een transistor, die Nauta onder meer gebruikte om een lichtorgel te maken.
Dreamstime, rechtenvrij

Die fascinatie voor elektronica is gebleven. U staat er om bekend dat u ingewikkelde verbindingen op chips veel eenvoudiger kunt weergeven. Zoals bij de Nauta-schakeling, die uit een heleboel signalen het juiste signaal filtert, waardoor een apparaat veel sneller werkt. Hoe kwam u op het idee?

“Ik was aan het zwemmen toen ik een ingeving kreeg. Ik ging snel naar de badmeester, die de krant las. Daarop maakte ik met een pen een eerste schema, terwijl de druppels op het papier vielen. Hij keek wel even vreemd op. Daarna ben ik weer verder gaan zwemmen.”

“In een chip zitten heel veel schakelingen. Daarbij spelen draden een grote rol, die zorgen voor de verbindingen tussen verschillende onderdelen. Je kunt ze zien als een soort wegen. Elk knooppunt van draadjes zorgt voor een vertraging. Dat is een soort file. Mijn schakeling heeft alleen aan de in- en de uitgang draadjes. Binnenin zit er geen een. Daardoor werkte deze schakeling vijfentwintig keer sneller dan die van de concurrenten.”

Een groep mensen kijkt naar hun telefoon. — De uitvindingen van Nauta worden onder meer in mobiele telefoons gebruikt.
Rawpixel.com, CC0 via pxhere

U publiceerde over de schakeling, maar patenteerde het niet. Vervolgens werd het in miljoenen apparaten toegepast, onder meer in vrijwel alle Nokia en Sony Ericsson-telefoons. Bovendien heeft het geholpen bij nieuwe uitvindingen als bluetooth. Als u het wel had gepatenteerd was u nu misschien wel miljonair geweest. Heeft u daar ooit spijt van gehad?

“Welnee. Ik wilde het destijds wel verkopen aan Philips. Maar die waren niet geïnteresseerd. De schakeling was zoveel sneller, dat ze eigenlijk niet wisten wat ze er mee moesten doen. Ik had geen contacten bij andere bedrijven. Tegelijkertijd wilde ik graag promoveren en daarvoor moet je publiceren. Dus koos ik voor een publicatie over de schakeling. Omdat het door iedereen gebruikt mocht worden is het misschien wel zo populair geworden. Bovendien ben ik mede door die uitvinding nu universiteitshoogleraar, doe ik bijzonder interessant onderzoek en heb ik veel onafhankelijkheid. Ik heb vooral lol in het werk. Bovendien vind ik dat ik al best een riant salaris krijg.”

Onlangs werkte u aan de ontwikkeling van ruisonderdrukking bij 5G, de opvolger van 4G. Daarmee zouden we mobiel nog weer sneller kunnen internetten. Wat heeft u precies daaraan bijgedragen?

“Ruis is heel belangrijk in draadloze communicatie. Een heel sterk signaal van een bericht of video wordt via een basisstation – waarvan er vele door het land staan – verzonden naar een telefoon. Daar komt het heel zwak aan op de antenne. Dus moet je het versterken. Maar de meeste versterkers veroorzaken daarbij een flinke ruis. Wij slagen erin om die ruis eruit te halen en het signaal ook nog eens te versterken. En we doen dat door maar drie onderdelen te gebruiken.”

Bram Nauta legt uit hoe je chips ontwerpt.

Heel veel mensen maken gebruiken van technologie die u heeft bedacht, bijvoorbeeld bij het gebruik van mobiele telefoons. Toch weten maar weinig mensen hoe draadloze communicatie werkt.

“Dat vind ik erg jammer. Het is zo razend interessant wat allemaal in een telefoon zit en helemaal niet zo moeilijk. Ik kan het iedereen uitleggen. Techniek is zo belangrijk. Het bepaalt wat mogelijk is. Niet de politiek. Denk maar aan internet, facebook en mobiele telefoons. Het komt allemaal uit de techniek. Wie wil bepalen hoe de wereld er uit gaat zien, moet dus met technologie aan de slag.”

Vorig jaar won u de prestigieuze Simon Steven Meester-prijs van technologiestichting STW ter waarde van vijfhonderdduizend euro. U mag dat spenderen aan ‘wild onderzoek’. Van wat voor nieuw werk gaan uw handen jeuken?

“Ik wil heel graag de problemen rond interferentie oplossen. Die spelen bijvoorbeeld bij wifi-verbindingen. De signalen daarvoor worden op een bepaalde frequentieband uitgezonden, die van 2,4 gigahertz. Daar zit ook de deurbel, magnetron en bluetooth op. Over een paar jaar staan de apparaten op die band in de file. Dan zit het te vol. Dat merk je nu al in cafés of in de trein waar te veel mensen wifi gebruiken. Als het internet of things doorbreekt en steeds meer mensen een slim huis krijgen, worden de problemen groter. Dan communiceert jouw koelkast, wasmachine en stofzuiger ook nog eens op dezelfde frequentieband.”

Een filmpje over Bram Nauta en zijn fascinatie voor techniek en levensloop.

Wat is uw oplossing?

“Ik wil nieuwe ontvangers voor al die signalen maken. Ze moeten dan vooral tussen al die ruis van ontzettend veel signalen, ook nog de piepkleine signalen van heel ver weg horen. Dat is ontzettend lastig. Je kunt het vergelijken met een kamer waarin een feestje bezig is. Dan klinken overal stemmen en muziek. Ik wil op dat moment de baby die een kamer verderop huilt nog horen. Dat lukt met de ontvanger waar ik aan werk. Die is uitermate geschikt voor het internet of things, met name voor apparaten waarbij er geen haast is. Bijvoorbeeld een slimme brievenbus. Ik wil weten wanneer de postbode is geweest, maar het maakt me niet uit als ik dat pas na een kwartier hoor. Ik wil alleen wel zeker zijn dat het klopt. Dan blijft er genoeg ruimte over voor snelle signalen, die bijvoorbeeld een film downloaden.”

De afgelopen decennia werden apparaten al steeds sneller, onder meer omdat dezelfde technologie op chips steeds kleiner wordt. Zet die ontwikkeling door de komende tien jaar?

“Ik verwacht dat we tegen de grenzen aan gaan lopen. In een laboratorium worden nu al transistors gemaakt van vier nanometer groot. In producten werken we nog met veertien nanometer. Nu maken we vooral alles voortdurend kleiner. Dat is een beetje dom. Want steeds maar verkleinen houdt een keer op. En dan wordt het ontwerp ontzettend belangrijk.”

Hoe kun je via ontwerpen toch snellere chips maken?

“Door na te denken hoe we de elektronica beter verbinden. Wat ik dus eigenlijk al een heel lange tijd doe. De architectuur van een chip is zo belangrijk! Je moet de elektronica dan zien als bouwstenen. We hebben al heel lang bakstenen, toch worden er steeds weer andere en vernieuwende huizen gemaakt. Er is ook al heel lang ijzer, maar auto’s innoveren voortdurend. Zo zal het ook met chips gaan. Bij het ontwerp bedenken we slimme oplossingen en daar profiteren we van.”

Ook daarbij zullen ingevingen, zoals u ze eerder had, vermoedelijk een grote rol spelen. Misschien is het verstandig om snel weer te gaan zwemmen om een doorbraak te forceren?

“Haha, ik zwem nog elke dag. In het bad maak ik mijn hoofd leeg. Maar ik heb daar niet iedere keer ingevingen. Ik zie mijn werk als zeer creatief. Ik voel me meer een kunstenaar dan een wetenschapper. Bij zo’n eureka-moment vallen alle puzzelstukjes op hun plek. Dat is geweldig. Het uitwerken daarna is wel hard werken. Want dan moet je alles uitrekenen en ben je vooral met wiskunde en techniek bezig. Het idee krijgen blijft dan toch het allerleukste.”