Vandaag kwam het droevige nieuws naar buiten dat Gordon Moore op 94-jarige leeftijd is overleden. Meer dan veertig jaar geleden voorspelde de Inteloprichter dat het aantal componenten op computerchips elke twee jaar zou verdubbelen. Tot nu toe weet de computerindustrie daar aardig aan te voldoen. Maar volgens veel deskundigen is het eind van deze razendsnelle vooruitgang in zicht. In deze gratis longread ter ere van Moore stellen we de vraag: hebben die doemdenkers gelijk?

Stel dat een of andere futuroloog voorspelt dat waar je nu in een vliegtuig met 900 kilometer per uur naar je vakantiebestemming vliegt, je dat over twee jaar met 1800 kilometer per uur zult kunnen doen, over vier jaar met 3600 kilometer  per uur, over zes jaar met 7200 kilometer per uur, enzovoort. Zo iemand verklaar je voor gek; met geen mogelijkheid kan de luchtvaart zulke sprongen maken.

Volproppen

In de computerwereld is er echter net zo’n voorspelling, die al decennialang behoorlijk goed klopt met de werkelijkheid: de wet van Moore. Deze wet, of misschien eerder een vuistregel, is vernoemd naar Gordon Moore, een van de oprichters van chipfabrikant Intel. In 1965 stelde hij dat het aantal transistors op een chip elk jaar verdubbelt. Oké, dat bleek wat al te optimistisch: in 1975 later moest Moore zijn inschatting bijstellen tot een verdubbeling per twee jaar. Maar dat tempo bleek de computerindustrie vervolgens heel goed bij te kunnen benen.

Chips werden, sinds Moore zijn wet bedacht, krachtiger in een tempo waar andere takken van de industrie alleen maar van kunnen dromen. Alleen, zo roepen deskundigen, het eind komt in zicht. Het wordt steeds moeilijker om nóg meer transistors op een chip te proppen. Ook Moore zelf behoorde tot dat kamp: in 2007 voorspelde hij dat zijn wet het nog zo’n tien tot vijftien jaar zou uithouden – wat zou betekenen dat hij elk moment de geest kan geven. Is dat inderdaad zo? En zo ja, worden computers dan vanaf een bepaald moment simpelweg niet meer sneller? Of kunnen we dan terecht bij andere technieken?

Lees ook:

• Verrijkt silicium koelt als een malle
• Primeur: IBM presenteert 2 nm-chip

Klein, kleiner, kleinst

Zoals gezegd draait het bij de wet van Moore om transistors – maar wat zijn dat precies? Een transistor is als het ware een minuscuul poortje. Is het poortje gesloten, dan loopt er geen stroompje elektronen door de transistor en telt dat als een ‘nul’. Is het poortje open, dan loopt er wel een stroompje en heb je een ‘een’. Daarmee zijn transistors de basiscomponenten van onze huidige computers, die rekenen in nullen en enen.

Wil je een computer met meer rekenkracht? Dan wil je dus in feite meer transistors. En daar voorziet de computerindustrie ook in: terwijl de eerste commercieel verkrijgbare computerprocessor ‘slechts’ 2300 transistors bevatte, hebben de meest geavanceerde chips van de laatste jaren er meer dan 10 miljard. Want over zulke bizar grote toenames heb je het op de langere termijn als het aantal elke twee jaar verdubbelt.

Daarbij draait het de afgelopen paar decennia vooral om het maken van steeds kleinere transistors. Immers: hoe kleiner die zijn, hoe meer je er kwijt kunt op een stukje chip. Maar hoe langer dat miniaturiseringsproces loopt, hoe moeilijker het wordt. “De eerste twintig jaar was het nog een kwestie van simpelweg verkleinen”, zei Intel-topman William Holt in 2013 op een conferentie. “Maar nu moet je, elke keer dat je de volgende generatie processors op de markt brengt, iets nieuws verzinnen om nog kleinere, nog betere componenten te kunnen maken.”

Sluipweggetje

Tot nu toe lukt dat heel aardig, bijvoorbeeld door het ontwerp van transistors aan te passen, om andere materialen in te zetten, of machines te ontwikkelen die kleinere details op een plak silicium kunnen afbeelden. Maar de zorg is altijd dat er op een gegeven moment een fundamentele grens in zicht komt die de chipmakers niet meer kunnen passeren. Hoe kleiner je transistor, hoe groter bijvoorbeeld de kans dat een elektron ineens door het gesloten poortje springt. Volgens de natuurkunde die de wereld om ons heen regeert, kan dat helemaal niet. Daar geldt: dicht is dicht.

Maar volgens de quantummechanica, de theorie die we gebruiken om de wereld van het allerkleinste te beschrijven, is er een minieme kans dat zo’n deeltje zich ineens toch plotsklaps aan de andere kant van de gesloten deur bevindt; een effect dat tunneling wordt genoemd. Als we straks het punt bereiken waarop dit effect een grote rol gaat spelen, is het uit met de wet van Moore, zo is de verwachting.

De Twentse hoogleraar Bram Nauta, die chipontwerp als vakgebied heeft, nuanceert zulke voorspellingen echter: “Vanaf mijn studententijd hoor ik al: over tien jaar lopen we tegen een grens aan. Maar de ervaring leert dat er altijd wel iemand een trucje verzint.” Hoogleraar Bert Koopmans, die zich aan de TU Eindhoven bezighoudt met nanotechnologie en nano-elektronica, is het daarmee eens: “Je kunt wel zo’n fundamentele grens aanwijzen, maar wetenschappers en mensen uit de industrie zijn erg ingenieus. Die vinden altijd weer een sluipweggetje.”

Flatgebouw van bits

En is steeds kleinere transistors maken de enige manier om aan de wet van Moore te blijven voldoen? Nee, zegt Jos Benschop, senior vice president technology van de Nederlandse chipmachinemaker ASML. “Moore stelde in 1965 dat het aantal componenten op een chip zou blijven toenemen. Decennialang is dat gebeurd door in het platte vlak te blijven en de transistors te laten krimpen. Maar dat heeft Moore nooit zo voorgeschreven. Je kunt ook de hoogte in gaan als je meer transistors per oppervlakte-eenheid wilt.” Oftewel: chips maken die bestaan uit tientallen op elkaar geplaatste laagjes met transistors.

Dat stapelen gebeurt al een paar jaar, maar dan vooral bij computergeheugen, zoals flash-memory, dat onder meer wordt gebruikt in USB-sticks en geheugenkaarten voor digitale camera’s. “Daar maakt het niet zoveel uit als ergens in dat flatgebouw van bits een bitje kapot is”, zegt Nauta. “Dan zeg je ‘sla voortaan maar geen data op in dat ene bitje op de derde etage’, en dan kun je de rest gewoon gebruiken.” Bij chips die rekenwerk moeten verrichten, is het echter wel degelijk van belang dat alle bitjes in zo’n flatgebouw goed functioneren. “Als er eentje kapot is, kun je de hele chip weggooien. We moeten de productietechniek van zulke gestapelde chips dus nog wat beter in de vingers krijgen voordat we ze op grote schaal kunnen maken.”

Een ander probleem waar deze stapels mee kampen: als je niet één, maar honderd laagjes transistors van stroom moet voorzien, wordt het geheel al gauw te warm. Als je ‘ouderwets’ steeds meer transistors naast elkaar op hetzelfde stukje chip plaatst, speelt trouwens hetzelfde probleem. “Er zijn alsmaar meer maatregelen nodig om ervoor te zorgen dat je chips niet gaan koken”, zegt Koopmans. Ook los daarvan wil je niet dat je chips steeds meer energie nodig hebben, vervolgt de Eindhovense hoogleraar. “Momenteel wordt al 5 tot 10 procent van de wereldwijde elektriciteitsproductie voor IT-processen gebruikt.” Willen we dus het aantal transistors kunnen blijven verhogen, dan moeten we ook manieren vinden om ze zuiniger met energie om te laten springen – iets waar onder anderen Nauta druk mee bezig is.

Lichtcomputer?

Maar als je met elektriciteit werkt, heb je altijd te maken met energieverlies. Het gaat nou eenmaal over elektronen die door draadjes bewegen. Daarbij ondervinden deze deeltjes een zekere weerstand, die ervoor zorgt dat er energie verloren gaat in de vorm van warmte. Dus: de schade zoveel mogelijk beperken en de rest voor lief nemen? Niet noodzakelijk. Hoewel computers in onze hoofden onlosmakelijk zijn verbonden met elektronica, is er ook een alternatief: fotonica. Daarin zijn het geen elektronen die informatie overbrengen van A naar B, maar lichtdeeltjes, oftewel fotonen. En als je fotonen door een daarvoor geschikte kabel stuurt – geen koperen draadje, maar een glasvezel – is er geen weerstand en de daarbij behorende warmteontwikkeling. Bovendien kun je met fotonen meer informatie versturen dan met elektronen.

Nu gebruiken we licht al een tijdje om data over grote afstanden te verplaatsen. “Op de bodem van de oceaan liggen geen koperen kabels, maar glasvezels”, zegt Koopmans. “Wat je nu echter ziet, is dat we licht over steeds kortere afstanden gaan gebruiken. De glasvezels gaan niet langer meer tot aan het huis, maar liggen ook in het huis en rukken steeds verder op richting de computerchips. En uiteindelijk zal licht ook ín de chips een rol gaan spelen.”

Hybride chips

Nauta ziet echter weinig heil in het uitbreiden van fotonica naar kortere afstanden. “Je kunt de structuren op een fotonische chip nooit kleiner maken dan de golflengte van het licht, die tussen 300 en 1800 nanometer ligt. Op elektronische chips zijn daarentegen al structuren gemaakt van maar 2 nanometer groot.” Bovendien is er geen optische evenknie van de transistor of van andere cruciale elektronicacomponenten. “Je kunt wel iets bouwen dat hetzelfde doet voor licht, maar dan heb je het over een apparaatje ter grootte van een pakje sigaretten.” Daarmee wil Nauta niet zeggen dat fotonica geen nut heeft. “Het is een prachtig vakgebied, dat bijvoorbeeld allerlei sensors oplevert. Maar ik word altijd een beetje kriegel als ze zeggen dat fotonica elektronica gaat vervangen, want dat is niet zo.”

Nu is het ook niet zo dat men binnen de fotonica nog toewerkt naar een computer die ál zijn elektronen voor fotonen heeft verruild. Die stip aan de horizon, de zogenoemde optische computer, is inmiddels wel van de baan. Waar mensen als Koopmans aan denken, zijn hybride chips, waarin fotonica en elektronica elk de voor die techniek meest geschikte rollen vervullen. Ook daar heeft Nauta echter weinig mee op. En hoewel ASML wel fotonicaonderzoek ondersteunt, is Benschop eveneens terughoudend: “Er zijn nog grote hindernissen te nemen, en in tegenstelling tot andere mensen ben ik er minder zeker van dat we die allemaal gaan overwinnen.”

Als een wave

Er is nog een mogelijkheid: spintronica. Ook daarbij gebruik je elektronen, maar dan op een heel andere manier. Een eigenschap van elektronen is de zogeheten spin. Die zorgt ervoor dat je zulke deeltjes kunt zien als magneetjes, met een noord- en een zuidpool. Je kunt dan zeggen: een elektron dat met zijn noordpool omhoog staat, telt als een één, en een elektron dat met zijn noordpool naar beneden wijst is een nul.

Op zich wordt spintronica al jaren gebruikt in computers, maar dan gaat het bijvoorbeeld om de koppen waarmee computers informatie op harde schijven lezen, en om bepaalde geheugenchips. Nu hopen wetenschappers de techniek echter ook in ‘rekenchips’ in te zetten. Een mogelijkheid is dan om elektronen informatie te laten doorgeven met een zogenoemde spingolf. Daarbij blijven de elektronen zelf op hun plek staan, en spelen ze de informatie aan elkaar door. Vergelijk het met een wave in een voetbalstadion: de supporters staan alleen maar op het juiste moment op, waardoor de wave van de ene naar de andere kant van de tribune reist.

Hét grote voordeel van zo’n spingolf is dat je niet meer te maken hebt met bewegende elektronen – en dus niet meer met energieverlies en de bijbehorende warmteontwikkeling. Ook hier ziet Koopmans een hybride voor zich: een chip die elektronica, fotonica en spintronica in zich verenigt. Daarbij moet je dan wel van de ene vorm naar de andere kunnen switchen.

Hét grote struikelblok

De overstap van fotonica naar elektronica is al mogelijk; Koopmans en collega’s werken nu aan de brug tussen fotonica en spintronica. Belangrijk is echter om je te realiseren dat dit soort toepassingen van spintronica zich in een nóg vroeger stadium bevinden dan fotonica. “Het gaat om heel fundamenteel onderzoek, niet iets wat op grote schaal te produceren is”, waarschuwt Nauta. “Bij het spintronicaonderzoek waar we het hier over hebben, maken onderzoekers duizend keer een onderdeel, waar er misschien eentje tussen zit die het doet, en daar schrijven ze dan een wetenschappelijk artikel over. Bij elektronische chips maken fabrikanten er 10 miljard per seconde en als er daarvan eentje het niet doet, zoeken ze uit wat er misging.”

Daarmee zijn we aanbeland bij hét grote struikelblok voor nieuwe technologieën als fotonica en spintronica: de voorsprong van elektronica is enorm – en, zoals we hebben gezien, er wordt ook nog steeds vooruitgang geboekt. “Dus als je nu zegt ‘we gaan een chip maken gebaseerd op compleet nieuwe technologie’, dan kan die over tien jaar misschien wat een elektronische chip veertig jaar geleden kon. En wie weet kan hij tien jaar daarna wat de huidige elektronische chips kunnen – maar in de tussentijd zijn elektronische chips ook weer vele malen beter geworden”, schetst Nauta de situatie. “Kortom: het is voor zulke nieuwe technologieën schieten op een bewegend doel. En omdat achter dat doel een industrie schuilgaat die er miljarden in steekt, beweegt dat doel ontzettend snel.”

Deze artikel verscheen eerder al in KIJK 8/2019.

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!