Processors van de toekomst: na het siliciumtijdperk

In 1965 voorspelde Gordon Moore, één van de oprichters van Intel, dat dankzij de vooruitgang in technologie het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling iedere twee jaar zou verdubbelen. Intel gaf vorig jaar zelf de doodsteek aan de voorspelling van zijn oprichter door zich niet langer aan het tick-tock-principe te houden. Het ene jaar verkleinde de chipmaker het bakproces van zijn processoren, de tick, terwijl het het volgende jaar dat proces optimaliseerde met een nieuwe architectuur, de tock.

Met de vijfde generatie Broadwell-chips stapte Intel nog succesvol over van 22 naar 14 nanometer. Het jaar daarop optimaliseerde het bedrijf deze architectuur met de zesde generatie Skylake-chips. Logischerwijze zou Intel vorig jaar zijn bakproces moeten verkleinen. Aangezien de stap naar 10 nanometer nog niet haalbaar was, bakte het zijn zevende generatie chips echter wederom op 14 nanometer.

Nieuwe materialen

Vooralsnog werden processoren gebakken uit silicium, een semi-metaal dat je in zand kan terugvinden. Met het steeds kleiner worden van processoren lijken de grenzen van dit materiaal langzaamaan bereikt te zijn. Intels vooruitgang stagneert en ook andere chipbakkers hebben duidelijk moeite om het moordende tempo van verkleinen aan te houden.

Chipmakers zijn nog enkele jaren zoet met het verder verkleinen en verbeteren van siliciumchips, al zal dit aan een vertraagd tempo gebeuren. Er wordt verwacht dat de kaap van 5 nanometer rond 2021 bereikt zal worden. Terwijl chipmakers al hun kennis en vaardigheden bij elkaar schrapen om het laatste uit siliciumchips te persen, kijken ze al verder naar andere materialen en productiemethodes. Een nieuw tijdperk waarin het hart van een computer niet langer uit silicium bestaat, lijkt nabij.

3D

Alvorens we silicium volledig in de vuilbak gooien, zal het materiaal op nieuwe manieren worden ingezet om krachtigere chips te produceren. Momenteel beperken processormakers zich tot slechts twee dimensies. Door verschillende lagen op elkaar te stapelen, kunnen kleinere en krachtigere chips worden gecreëerd. De grootste uitdaging bij het maken van een 3D-chip is dat er te veel hitte kan ontstaan tussen de componenten, waardoor één of meerdere lagen kunnen smelten. Hierdoor verwachten experts dat 3D-CPU’s pas tussen 2021 en 2024 voor het eerst beschikbaar zullen worden.

Voor NAND-geheugen is het echter eenvoudiger om 3D-varianten te creëren. Onder andere Samsung werkt aan SSD’s met 3D-NAND, welke ondertussen zo’n twee jaar voor consumenten beschikbaar zijn. Doordat individuele cellen verder uit elkaar geplaatst worden in 3D-NAND, is er minder kans op interferentie en datacorruptie.

Grafeen

Grafeen is een materiaal dat nog niet zo lang geleden werd ontdekt. Het bestaat uit een honingraatstructuur van koolstof en is slechts één atoom dik. Ondanks zijn beperkte dikte is grafeen het sterkste, lichtste en best geleidende materiaal dat tot nu toe werd uitgevonden. Hierdoor is de kristalstructuur het ideale materiaal om silicium te vervangen in de steeds dunner wordende chips. Door zijn beperkte dikte kunnen grafeenvellen worden opgerold tot nanobuisjes, waarmee erg kleine transistoren kunnen worden gecreëerd.

Door zijn unieke eigenschappen is grafeen niet alleen geschikt om transistoren mee te maken, maar betekent het dunne materiaal een doorbraak in verschillende sectoren. Zo kan grafeen gebruikt worden om dunnere en sterkere vliegtuigen te creëren, of bij de creatie van efficiëntere zonnepanelen. Bovendien denken veel mensen dat grafeen onze manier van leven kan veranderen. In de 20^ste eeuw werd het nieuwerwetse plastic immers niet alleen gebruikt om metaal en hout te vervangen; het luidde een tijdperk in waarin duurzaamheid van producten niet langer de prioriteit heeft.

Eén van de problemen waar chipmakers op stuiten, is dat het erg moeilijk is om op grote schaal transistoren te creëren van slechts enkele nanometers groot. Bij klassieke productieprocessen van siliciumchips gebruiken fabrikanten een top-down-methode. Ze halen grote delen van het materiaal weg om uiteindelijk de juiste structuur over te houden. Met iedere nanometer dat transistoren kleiner worden, wordt dit proces een stuk moeilijker om foutloos uit te voeren.

Verschillende wetenschappers zien daarom toekomst in organische chips. Ze willen organisch materiaal laten groeien om de juiste structuur te bereiken. Voorlopig zijn er nog geen methodes die in de praktijk werken, al worden er verschillende studies rond het onderwerp gevoerd. Sommige wetenschappers slagen erin kleine patronen te creëren met behulp van organisch materiaal, wat een eerste stap is naar het laten groeien van miniatuurtransistoren.

Licht

In plaats van meer transistoren op een kleiner oppervlak te plaatsen, kunnen fabrikanten eveneens proberen om de transistoren sneller en efficiënter te laten werken. Eén manier om de werking van transistoren te versnellen, is door elektriciteit te vervangen door een sneller medium, namelijk licht. Ieder stukje koperdraad in een klassieke schakeling zorgt immers voor inductie en capaciteit, waardoor vertragingen ontstaan. Bovendien warmen de draadjes op omwille van hun weerstand en gaat er elektriciteit verloren aan warmte en elektromagnetische straling.

Voorlopig vindt optische technologie nog niet zijn plaats in onze pc’s, aangezien licht geen scherpe bochten kan maken en optische draden een stuk dikker zijn dan hun elektrische varianten. Onderzoek naar de vervanger is echter volop gaande.

Kwantumcomputer

In een kwantumcomputer wordt niet zozeer een hardwarecomponent verbeterd, als wel de volledige werking van de computer. Klassieke pc’s werken slechts met twee waardes: nullen en enen. Bij een kwantumcomputer wordt hier een waarde aan toegevoegd. Alvorens je meet welke waarde een bit heeft, weet je niet of dit een nul of een één is. De bit is met andere woorden een nul en een één tegelijkertijd.

Baserend op dit principe proberen wetenschappers al enige tijd een computer te creëren die bewerkingen aan een uitzonderlijk tempo uitvoert. Als consument zou je echter maar weinig hebben aan een kwantumcomputer. Slechts bij bepaalde toepassingen kan je de superposities van een kwantumdeeltje gebruiken. Wanneer je bijvoorbeeld filmpjes bekijkt op het internet moeten de kwantumdeeltjes steeds de waarde nul of één aannemen. In dat geval is een kwantumcomputer zelfs trager dan een klassieke pc.