Ctrl+alt+delete

Van links naar rechts:

Hewlett-Packard 9100, Commodore PET, Apple IIc en de iMac. Een klein vermogen kostte hij. Voor de Hewlett-Packard 9100 moest in 1968 een slordige vijfduizend dollar neergeteld worden (gecorrigeerd voor inflatie komt dit neer op zo’n 33 duizend huidige dollars). Volgens sommigen is dit de eerste desktop computer. HP zelf noemde het apparaat overigens een rekenmachine. Leuk om pong mee te spelen. Zo zullen veel lezers zich de Commodore computers herinneren. De Commodore PET (Personal Electronic Transactor) met 8 bit RAM geheugen kwam in 1977 op de markt, ongeveer gelijk met de Apple II. De pc’s veroverden de huiskamers. In 1984 kwam Apple met iets nieuws; de Apple IIc was de eerste compacte computer van dit bedrijf. Hij had 128 kB aan RAM geheugen. Dat was al een hele verbetering ten opzichte van de Commodore en de AppleII, maar niets vergeleken met een moderne computer zoals de iMac met 32GB aan geheugen en 768GB flashgeheugen.

Met dank aan Eric Winkel, een van de beheerders van de studieverzameling in de kelder bij EWI, waar het erfgoed van de elektrotechniek, computertechniek en telecommunicatie opgeslagen ligt. Zie hiervoor ook het artikel ‘De rekwisieten van EWI’ in Delta van 15 juni 2011.

Had hij nog gevlogen, dan was de Concorde de slak van het luchtruim geweest. Een vluchtje van Parijs naar New York duurt met de modernste toestellen immers niet langer dan een seconde. En de reis kost bijna niets; minder dan een cent. Zo zou de wereld van de vakantieganger en zakenman/-vrouw eruit hebben gezien als de ontwikkelingen in de luchtvaartsector net zo’n hoge vlucht hadden genomen als de computerindustrie.

In 1965 voorspelde Gordon Moore, één van de oprichters van chipfabrikant Intel, dat het aantal transistors (de logische schakelingen die de rekeneenheden vormen van computers) in een geïntegreerde schakeling elke twee jaar zou verdubbelen dankzij technologische vooruitgang.

Deze ‘Wet van Moore’, die eigenlijk meer een soort selffulfilling prophecy is aangezien hij computerfabrikanten aanspoort om het onderste uit de kan te halen, heeft ervoor gezorgd dat een mobiele telefoon vandaag de dag meer rekencapaciteit heeft dan de computer aan boord van het Apollo-ruimtevaarttuig dat in de jaren zestig werd ontwikkeld, toen de voorspelling werd gedaan.

De Wet van Moore gaat al bijna veertig jaar op. Maar het einde lijkt in zicht. Computerfabrikanten en wetenschappers maken zich zorgen. Volgens de schrijvers van het rapport ‘The future of computing, game over or next level?’ (2010) gaat de wet eigenlijk al jaren niet meer echt op. “De prestaties van processors groeit nog slechts marginaal”, zo valt te lezen in het rapport dat geschreven is door een grote groep onderzoekers afkomstig uit de computerindustrie en van universiteiten als Standford University en de University of California. Volgens hen heeft de afvlakking van de groeicurve zich al in 2004 ingezet. Economische rampspoed dreigt als er niet snel een oplossing komt.

Het almaar verder verkleinen van transistors was decennia lang het adagium. Kleinere transistors maken snellere chips, aangezien elektriciteit maar heel korte afstanden hoeft af te leggen door deze schakelingen. Tegenwoordig zijn transistors slechts 22 nanometer groot (een nanometer is een miljoenste millimeter). Maar we zijn op een punt beland waarop het silicium, het halfgeleidermateriaal waarin de transistors zijn geëtst, zich minder gunstig gaat gedragen. Zo begint de miniaturisering onder meer voor thermodynamische problemen te zorgen; de transistors warmen teveel op.

Om de vaart erin te houden, verschijnen computers nu met meerdere processors. Maar niet alle software draait daar even goed op. Het ontwikkelen van software die efficiënt draait op talloze processors tegelijk is al helemaal een lastige opgave, stellen de auteurs.

De eerste echte supercomputers dateren uit de jaren zestig. De CDC 6600 uit 1964 van het Amerikaanse onderzoeksinstituut Lawrence Livermore National Laboratory vulde een hele ruimte en behaalde een rekensnelheid van 3 megaFLOPS (Floating-point Operations Per Second). Ongekend snel voor die tijd. Een chip in een simpele pc haalt nu rekensnelheden die duizenden malen hoger liggen.

The usual suspects

Andere materialen, andere technieken; daar aast iedereen op. Daar ging ook het symposium met de naam – jawel – ‘The future of computing’ over die studievereniging Electrotechnische Vereeniging (EWI) in november hield. The usual suspects passeerden de revue; koolstof als alternatief voor silicium, rekenen met fotonen in plaats van elektronen, en natuurlijk de quantumcomputer waar ook Delftse onderzoekers aan werken.

Koolstof lijkt vooralsnog de beste papieren te hebben om op relatief korte termijn soelaas te bieden. Zo probeert IBM schakelingen te maken van grafeen, laagjes koolstof van slechts één atoom dik, waarin de atomen een soort honingraatstructuur vormen. Het bijzondere van dit materiaal is dat elektronen zich hierin gedragen als (relativistische) deeltjes, die met een constante snelheid voortbewegen (zie ook het artikel ‘Een materiaal van superlatieven’ in Delta van 12 juni 2012).



Bovendien worden elektronen in  grafeen maar weinig verstrooid, waardoor de beweeglijkheid van de elektronen tweehonderd keer hoger is dan in silicium. Voor elektronische componenten van grafeen belooft dat snelle en ultradunne elektronica met geringe warmteontwikkeling.

Maar er is een probleem. Grafeen is geen halfgeleider. Althans, niet bij kamertemperatuur. Het gedraagt zich dan metallisch. Silicium is wel een halfgeleider. Normaal laat silicium geen elektronen door, maar zet er een klein voltage op en het materiaal geleidt juist uitstekend. Dat maakt het zo geschikt om er transistors van te maken; schakelingetjes die continu (miljarden malen per seconde) aan en uit moeten gaan.

Door grafeen op te knippen in extreem dunne strookjes van zo’n tien nanometer breed, gaat het materiaal zich wel als een halfgeleider gedragen. Maar dat leidt tot rafelige randen, randen die zo beschadigd zijn dat er nauwelijks functionele transistors mee te maken valt.

In de jaren 90 nam het superrekenen een grote vlucht. Het parallel rekenen raakte in zwang. Fabrikanten gingen duizenden processors in de machines stoppen. Computers haalden snelheden van honderden gigaFLOPS. De Amerikaan William Daniel Hillis, hier op de foto, was een van de onderzoekers die een bijdrage leverden aan het parallel rekenen. (Fotograaf onbekend)

‘IBM is crazy’

Grafeenexpert prof. Andrea Ferrari van de universiteit van Cambridge, die vorige maand spreker was op de conferentie, vindt het van de zotte wat IBM probeert te doen. “Dat grafeen de computer van de toekomst zou opleveren, is wishfull thinking”, zei hij. “Je kunt grafeen niet aan- en uitschakelen, tenzij je er strookjes van maakt, maar dan maak je gelijk alles stuk. Wat IBM doet is crazy.”

Ferrari was ook zeer kritisch over het streven van IBM om chips te maken met transistors van koolstof nanobuisjes.

Eind oktober schreven onderzoekers van IBM in het blad ‘Nature Nanotechnology’ dat ze erin geslaagd waren om een chip te maken met tienduizend transistors gemaakt van koolstof nanobuisjes. Tienduizend transistors zijn bij lange na niet genoeg – een silicium chip van een vierkante centimeter bevat al gauw een miljard schakelingen – maar toch, het is een aardig begin.

Een koolstof nanobuisje bestaat net als grafeen uit een enkele laag koolstof, maar dan opgerold in een koker. Sommige van die buisjes gedragen zich als hafgeleiders. Bijkomend voordeel is dat ze een handige moleculaire structuur hebben om transistors van te bouwen.

Volgens IBM kan het bedrijf nog enkele chipgeneraties voort met silicium, door de schakelingen verder te verkleinen, maar dan is de rek er wel uit. Door vervolgens over te stappen op koolstof nanobuisjes, kan het bedrijf chips maken die nog eens vijf à tien maal krachtiger zijn dan de beste silicium chips, zo schrijft IBM in een persbericht.

Maar één van de grote problemen met koolstof nanobuisjes, die Ferrari aanstipte, is dat bij de fabricage ervan zowel buisjes gemaakt worden die zich als halfgeleider gedragen, als buisjes die zich metallisch gedragen. Het is een grote wirwar. IBM moet ervoor zorgen dat de mengsels zuiverder worden, vindt hij. De rest van Ferrari’s toespraak, driekwart van zijn speech, ging over heel andere onderwerpen dan computers. Zo had hij het bijvoorbeeld uitvoerig over het coaten van flessen met een materiaal dat erg lijkt op grafeen, waardoor bier er lang houdbaar in blijft.

Supercomputers halen nu snelheden van PetaFLOPS. Peta staat voor een biljard; een 1 met vijftien nullen er achter. Ze worden gebruikt om onderzoek te doen naar ingewikkelde natuurfenomenen zoals kwantummechanica of het klimaat. Of zoals hier bij het Los Alamos National Laboratory in de VS om het middelpunt van het melkwegstelsel te simuleren.

Rekenen met licht

Het verhogen van de rekensnelheid met een factor tien is mooi meegenomen, maar het is niets vergeleken met de snelheid die je haalt als je zou rekenen met licht. Over dit onderwerp kwam natuurkundige prof. Anatoly Zayats van King’s College London spreken. Zou je chips voeden met fotonen in plaats van elektronen, dan krijg je een wel duizend maal hogere rekencapaciteit. Fotonen reizen veel sneller dan elektronen, en dat zonder de chips enorm op te warmen. Maar zie maar eens een schakelaar te maken die werkt met fotonen. Lichtdeeltjes hebben geen lading en kunnen dus niet aangestuurd worden met een elektrisch veld zoals elektronen. En fotonen reageren normaal gesproken ook niet op elkaar. Je kunt dus moeilijk een bundel fotonen aansturen met een andere lichtbundel.

Zayats en zijn collega’s werken aan een slimme truc. Ze zorgen ervoor dat hun fotonen een bijzondere interactie aangaan met vrije elektronen, die rondzwerven op de grenslaag tussen een geleidend en een niet-geleidend materiaal. Kies exact de juiste golflengte en de fotonen zwepen de elektronen op zoals wind golven creëert op zee. De elektronrimpelingen die zo ontstaan, worden plasmonen genoemd. De plasmonen zenden op hun beurt ook weer licht uit. En dat licht kan aangestuurd worden door met de golflengte en intensiteit van de oorspronkelijke bundel te spelen.

De groep van Zayats werkt aan minuscule lichtbronnen die op termijn in chips geïntegreerd kunnen worden, aan lichtpaden waarlangs de plasmonen zich kunnen voortbewegen en aan nanodetectoren die het licht van de plasmonen oppikken.

Minstens even spectaculair klinkt het werk van dr. Ronald Hanson van het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen. Vorig jaar slaagde zijn groep erin om vier quantumbits in diamand naar wens te tollen, flippen en met elkaar te verstrengelen. Hanson vertelde dat een quantumcomputer volgens hem zeker het licht zal zien. Hoe die computer er uit zal zien, vindt hij lastig te zeggen.



Bouwsteentjes

Een heel scala aan mogelijke bouwsteentjes voor de quantumcomputer is door de jaren heen de revue gepasseerd, van supergeleidende ringetjes, koolstof nanobuisjes, tot atomen die in een laserstraal opgesloten zitten. Door hun kneedbare quantumtoestanden, zoals spin, spanning, stroomrichting of polarisatie, kunnen deze deeltjes als informatiedragers (bits) dienen; bits met buitengewone eigenschappen. Een ‘quantumbit’ hoeft niet te kiezen tussen twee toestanden, zoals de transistortjes van onze huidige computers met hun nullen en enen. De quantumbit kan allerlei toestanden tegelijk aannemen en dat maakt het in theorie mogelijk dat bepaalde berekeningen heel snel uitgevoerd kunnen worden.

Quantumtoestanden zijn moeilijk te meten, onder meer doordat ze overstemd worden door ruis uit de omgeving, zoals naburige atomen die ook allemaal trillen en draaien. Het meeste onderzoek naar quantumverschijnselen vindt daarom plaats bij extreem lage temperatuur. Maar een computer die vlak boven het absolute nulpunt moet functioneren, is niet erg praktisch.

In diamant blijken quantumbits echter heel stabiel. Hanson en zijn collega’s werken al jaren aan quantumbits in diamanten chips. Sommige experimenten doen ze gewoon bij kamertemperatuur. Vorig jaar slaagden de onderzoekers erin om een ‘miniquantumcomputer’ – een computer bestaande uit vier quantumbits – zeer nauwkeurig uit te lezen (zie: ‘Quantum calculations in diamonds’ in Delta van 28 september 2011). Dit was misschien wel een belangrijke opmaat naar de werkelijke quantumcomputer, een computer die er volgens Hanson over vijftig jaar toch wel moet zijn.

Voor de goede orde: als de Wet van Moore tot die tijd, op wat voor manier dan ook – met nanobuisjes, grafeen of fotonen – stand weet te houden, dan moet die quantumcomputer miljoenen malen krachtiger zijn dan onze huidige computers.