Chip is al vijftig jaar jong

5 september 2008
 
Kern van die ontwikkeling is een almaar voortgaande miniaturisering. De meest vooruitstrevende computerchips die tegenwoordig op de markt zijn, hebben een spoorbreedte van 45 nanometer. Ze bevatten honderden miljoenen transistoren waardoor ze een enorme rekenkracht of geheugencapaciteit hebben.

Het Nederlandse technologiebedrijf ASML werkt hard aan nieuwe technologie­ën die chipmakers als Intel, AMD en Infineon in staat moeten stellen de komende jaren nog compactere microelektronica te vervaardigen. Er wordt al gesproken over spoorbreedtes van 30 nanometer en wellicht is ook daar ooit nog wel weer zo’n 15 nanometer vanaf te krijgen.

Verkleining is niet de enige ontwikkeling die de chip de komende jaren te wachten staat. De chip zal nieuwe toepassingen krijgen en uiteindelijk ook gebruik gaan maken van andere natuurkundige principes dan elektrische halfgeleiding alleen. Biochemie, optica en nanotechnologie bepalen de mogelijkheden en toepassingen van de chip van de toekomst. Een rondgang langs enkele bedrijven en onderzoeksinstituten leert dat de lage landen zich in die ontwikkeling niet onbetuigd laten.

Vooral de Universiteit Twente valt op, niet door ontwikkeling van nieuwe chipproductietechnieken, maar door na te denken over wat je zoal kunt doen met compactere schakelingen. Te denken valt onder meer aan drastische vermindering van energieverbruik en verbetering van prestaties op het vlak van draadloze communicatie. Een van de onderzoekslijnen richt zich bijvoorbeeld op chips die in hogere frequentiegebieden zenden en ontvangen en daardoor etherruimte benutten die nog niet is opgeslokt door toepassingen als Bluetooth of WiFi.

Professor Bram Nauta: “Uiteindelijk gaat het om het omlaag brengen van de prijs-prestatieverhouding. Als je chips maakt die goedkoper zijn, meer bandbreedte bieden of groter afstanden overbruggen, dan ontsluit je nieuwe toepassingen en maak je bestaande toepassingen voor grotere groepen bereikbaar. (...) Wat die toepassingen zijn, daarover valt vanuit het lab weinig te zeggen, dat moet de markt bepalen. Wie weet, misschien heeft over tien jaar iedereen wel radar op z’n fiets.”

De kennis die de Universiteit Twente genereert rond chipontwerp, vindt in ieder geval vrij makkelijk zijn weg naar het bedrijfsleven, onder meer via spin-offs als Bruco, Axiom en Aemics. De innovatieve geïntegreerde schakelingen die deze bedrijven ontwikkelen, worden verkocht aan chipfabrikanten, die ze verwerken in de totaalontwerpen voor hun eigen chips.

Meer fundamenteel onderzoek en ontwikkelingswerk op het gebied van chip-technologie vindt in Nederland plaats aan het FOM-instituut Amolf in Amsterdam. Daar houdt men zich bezig met nanofotonica. Dat wil zeggen: nanostructuren waarin fotonen (lichtdeeltjes) worden gemanipuleerd, zoals in Kilby’s ‘IC’ (zie foto) elektronen worden gemanipuleerd.

Nanocontrole over licht biedt enorme perspectieven, want lichtpulsen zijn vele malen sneller aan en uit te schakelen dan elektronenstromen. Dat maakt dus veel grotere bandbreedtes mogelijk. Daarbij komt nog dat ‘lichtstromen’ zonder elkaar te storen en in verschillende kleuren kriskras door elkaar heen kunnen lopen, zonder elkaar te verstoren. Dat is ook de reden waarom datacommunicatie steeds meer via glasvezel loopt.

Tot nu toe zijn daarbij echter nog veel elektronische tussenstappen nodig, bijvoorbeeld voor het routeren van de optische informatiepakketjes. Er zijn grote efficiëntievoordelen te behalen door die elektronische elementen te vervangen door optische tegenhangers. Dat proces is al gaande. Een van de beperkende factoren daarbij is echter dat de gebruikte optische chips nogal groot zijn. Dat komt doordat licht in een optische vezel geen scherpe bochten kan nemen. “De krapste bocht die licht in een vezel op basis van het nu gangbare principe van ’totale reflectie’ kan nemen, heeft een straal van enkele millimeters, richting een centimeter.

Dat maakt de chips groot en duur”, vertelt onderzoeker Kobus Kuipers.
Kuipers werkt daarom aan chips die het licht op een fundamenteel andere wijze in de gewenste banen leiden. “Ik gebruik fotonische kristallen. (...) In een fotonisch kristal worden door interferentie-effecten bepaalde kleuren volledig geweerd. Door in zo’n fotonisch kristal bewust verstoringen van de kristalroosterstructuur aan te brengen, kunnen we op bepaalde plaatsen het ‘verbod’ op die bepaalde kleur opheffen. Op die manier kun je door zo’n kristal een tracé aanleggen voor die betreffende kleur, met bochten in een straal van enkele micrometers”, legt Kuipers uit.

Uitgaande van twee dimensies voor de chip betekent dat een schaalverkleining met een factor miljoen. Belangrijkste probleem op dit moment is het verlies aan informatie in fotonische kristallen. Dat bedraagt enkele tienden decibel per millimeter en dat is ruwweg een factor tien te veel. Als dat probleem is opgelost, staat de weg open voor grootschalig gebruik van optische chips en het verder uitbannen van elektronische componenten uit glasvezelnetwerken, die daarmee enorm aan capaciteit zullen winnen. Daarmee is de stap van telecom naar de desktop of naar het rekencentrum echter nog niet gezet. Ofschoon het idee van supersnelle en energiezuinige optische computers enorm aanspreekt zijn programmeerbare logische schakelingen op basis van licht zijn nog heel ver weg.

Een belangrijke stap in de goede richting werd enkele jaren geleden gezet door professor Meint Smit van de TU/e. Hij slaagde erin laserlicht in twee gekoppelde ringcircuits zodanig te laten rondlopen dat het effectief als fotonisch geheugen van één bit werkt. Een prestatie die wereldwijd respect opriep.

Maar de problemen die overwonnen moeten worden om complexe logische optische schakelingen te miniaturiseren en op chips te integreren, blijken immens. Mogelijk zelfs zodanig dat de volledig optische computer wellicht later af zal zijn dan bijvoorbeeld de eerste commerciële quantumcomputer, die ook al decennialang als veelbelovend geldt en dat waarschijnlijk ook nog wel enkele decennia wel zal blijven doen.

Klaar voor eerste leveranties
Een Nederlandse start-up die niet alleen innovatieve chips ontwerpt maar ze ook zelf op de markt brengt, is GreenPeak. GreenPeak ontwikkelt en verkoopt ‘ultra low power’ communicatiechips voor toepassing in combinatie met embedded microcontrollers. Te denken valt onder meer aan afstandsbedieningen, beveiligingssystemen, meet- en regelsystemen in fabrieken en gebouwen.

Omdat WiFi voor dat soort toepassingen veel te veel stroom verbruikt, werd de ZigBee-standaard ontwikkeld, waarbij flink bandbreedte wordt ingeleverd ten gunste van een lager energieverbruik. Maar de gangbare ZigBee-chips gebruiken voor veel toepassingen nog steeds ongemakkelijk veel energie. “Als je kiest voor draadloze communicatie is het meestal een halve oplossing als je voor de voeding toch nog aan het stroomnet vastzit of blijvende zorg hebt voor het opladen of vervangen van batterijen”, zegt CEO Cees Links. Door de hele architectuur van de communicatiechip grondig overhoop te halen en noodzakelijke componenten in een andere configuratie te plaatsen, onder de regie van een geïntegreerde ‘power wizard’, is het energieverbruik met omstreeks 85 procent teruggedrongen.

GreenPeak heeft de ontwikkelingsfase van zijn chips afgerond en de eerste proefleveranties ten behoeve van onderzoek en ontwikkeling van prototypes van toepassingen staan op stapel.

 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Neem contact met ons op!