Voor de leek roept ‘nano nano’ vooral associaties op met Mork van Ork, de buitenaardse rol van Robin Williams in de comedyserie Mork en Mindy. Voor de hedendaagse wetenschapper is ‘nano’ echter een sleutelbegrip dat met science fiction niks meer te maken heeft.
Delen
,,Als je steeds kleinere transistoren en diodes maakt, kom je op het niveau van atomen terecht. Daardoor treden allerlei nieuwe effecten op. Dat kun je lastig vinden, maar je kunt er ook gebruik van maken”, luidt de aftrap van prof.dr.ir. A.H.M. van Roermund.
Van Roermund is de programmaleider van het DIOC-programma ‘Novel computation structures based on quantum devices‘. Het college van bestuur gaf onlangs het groene licht voor deze veertiende Dioc (Delfts interfacultair onderzoekscentrum), de paradepaardjes van de TU op onderzoeksgebied. Het programma van Van Roermund richt zich op het ontwikkelen van een nieuwe IC-technologie op nanometerschaal (chips met lijntjes van enkele miljoenste millimeters).
,,Het woord nanotechnologie zegt eigenlijk alleen maar iets over de afmetingen van de componenten, de devices waarmee je werkt. Wij zitten op de schaal van nanometers; zo’n factor honderd kleiner dan de huidige chips”, licht de programmaleider toe. ,,Al sinds het begin van de geïntegreerde elektronica wordt er om de anderhalf jaar een nieuwe generatie chips ontwikkeld die op een anderhalf keer zo kleine schaal werkt. Daardoor past er in elke nieuwe generatie twee keer zo veel op een chip. De hele wereld is daarmee bezig. Maar als de afmetingen steeds weer kleiner worden, komt alles dichter opeen te zitten. Daardoor kunnen bijvoorbeeld spanningen elkaar ongewenst beïnvloeden.”
Tot nu toe zijn de problemen elke keer opgelost door er mankracht tegenaan te gooien. Dat kostte wel veel geld, maar door de schaalverkleining leverde de inspanning uiteindelijk toch weer winst op. ,,Zolang de problemen niet extreem worden, kan de schaalverkleining gewoon doorgaan, maar het wordt wel steeds moeilijker en uiteindelijk loop je vast”, aldus Van Roermund. ,,Op een gegeven moment moet je erover nadenken of je evolutionair verder wilt gaan met de oude technieken en daarmee om de problemen heen wilt werken, of liever op een hele nieuwe manier, revolutionair dus, wilt uitgaan van de effecten die er zijn en daarmee iets nieuws wilt bouwen. Met dat ‘revolutionaire’ concept willen wij in het Dioc-programma werken.”
Beheersbaar
Het Dioc-onderzoek gaat in eerste instantie uit van het bestaande onderzoek aan transistoren die zijn opgebouwd uit kleine aantallen atomen. Van Roermund: ,,Ik heb al een hele tijd geleden over mogelijke toepassingen van die transistoren gesproken met professor Mooij. Hij is als echte fysicus vooral gericht op het begrijpen van de effecten. Hij zag veel problemen, omdat het proces nog niet beheersbaar is. Maar wijwillen toch alvast inspelen op de toekomst en kijken hoe we de devices kunnen gebruiken als het eenmaal zo ver is.”
In de bestaande elektronica bestaat een stroom door een draadje op de chip uit een hele kudde elektronen. Als één elektron een afwijkende koers kiest, is er niets aan de hand. Op de nano-schaal bestaat een stroom uit een rijtje enkele elektronen. Afwijkend gedrag van een enkel elektron kan de hele stroom blokkeren. Statistische effecten die normaal verwaarloosbaar zijn, gaan dan ineens een rol spelen. Je kunt niet met zekerheid zeggen of een elektron precies op het moment dat je dat wilt wordt getransporteerd. Bovendien zijn de devices heel gevoelig voor kleine fouten. Eén enkel atoom op de verkeerde plek kan al een veranderde spanning opleveren en daarmee uiteindelijk een foute berekening.
De huidige digitale elektronica gaat ervan uit dat een bit nul of één is en dat er geen bitfouten mogen optreden. Als er een grote statistische variatie is, mag je daar niet meer van uit gaan. Bovendien moet een stap terug gemaakt worden van digitale naar analoge elektronica, denkt Van Roermund: ,,De elektronica is analoog begonnen. Op een gegeven moment is men overgestapt op digitale elektronica om van de onnauwkeurigheden en onzekerheden af te komen. Daarvoor in de plaats kwam de kwantisatiefout, de fout die je maakt bij het afronden van een signaal in een aantal discrete niveaus. Die fout is beschrijfbaar en daarna is alles gedefinieerd.”
Fuzzy
,,Maar in de nano-technologie wordt de statistische onzekerheid zo groot, dat het beter is om weer de stap naar de efficiëntere analoge elektronica te maken”, vervolgt Van Roermund. ,,Dan moet je wel op een hoger niveau met de onnauwkeurigheden omgaan. Daarom moeten we naar andere manieren van signaalverwerking toe. Er zijn nieuwe trends die onzekerheden toelaten, zoals fuzzy logic en neurale netwerken. Deze methodes zijn geïnspireerd op de biologie. In de natuur is signaalverwerking nog altijd vele malen efficiënter dan wat wij kunnen maken.”
Van Roermund meent dat dit project zich uitermate goed leent voor interfacultaire samenwerking. ,,Groepen bij elektrotechniek, technische natuurkunde en informatica zijn op verschillende niveaus bezig met het optimale eindresultaat. Daarvoor moeten op elk niveau keuzes worden gemaakt. Maar wat op het niveau van de implementatie van transistoren ideaal is, hoeft voor de signaalverwerking niet altijd goed uit te komen. Daar is een compromis voor nodig. Een deel van het Dioc-programma bestaat ook uit het ontwerpen van een simulatieomgeving. Daarmee kan bekeken worden wat de invloed van een verandering op de andere ontwerpniveaus is.”
Dat deze Dioc niet eerder is goedgekeurd, hangt volgens van Roermund samen met het fundamentele karakter van het onderzoek. ,,Het project is voor leken niet zo aansprekend. Bij onderzoek naar betere verkeerssystemen kan iedereen zich iets voorstellen, maar bij onderzoek naar nanotechnologie is dat natuurlijk veel moeilijker. Dit onderzoek schept nieuwe mogelijkheden voor de toekomst, maar het is nu nog niet duidelijk om wat voor toepassingen het daarbij precies gaat.”
De mankracht is voor van Roermund het dominante probleem: ,,Ikmoet nog maar zien of alle aio-vacatures vervuld kunnen worden. Maar ja, je moet nou eenmaal eerst een projectvoorstel goed laten keuren voordat je op zoek kunt naar de mensen die het uitvoeren.”
,,Als je steeds kleinere transistoren en diodes maakt, kom je op het niveau van atomen terecht. Daardoor treden allerlei nieuwe effecten op. Dat kun je lastig vinden, maar je kunt er ook gebruik van maken”, luidt de aftrap van prof.dr.ir. A.H.M. van Roermund.
Van Roermund is de programmaleider van het DIOC-programma ‘Novel computation structures based on quantum devices‘. Het college van bestuur gaf onlangs het groene licht voor deze veertiende Dioc (Delfts interfacultair onderzoekscentrum), de paradepaardjes van de TU op onderzoeksgebied. Het programma van Van Roermund richt zich op het ontwikkelen van een nieuwe IC-technologie op nanometerschaal (chips met lijntjes van enkele miljoenste millimeters).
,,Het woord nanotechnologie zegt eigenlijk alleen maar iets over de afmetingen van de componenten, de devices waarmee je werkt. Wij zitten op de schaal van nanometers; zo’n factor honderd kleiner dan de huidige chips”, licht de programmaleider toe. ,,Al sinds het begin van de geïntegreerde elektronica wordt er om de anderhalf jaar een nieuwe generatie chips ontwikkeld die op een anderhalf keer zo kleine schaal werkt. Daardoor past er in elke nieuwe generatie twee keer zo veel op een chip. De hele wereld is daarmee bezig. Maar als de afmetingen steeds weer kleiner worden, komt alles dichter opeen te zitten. Daardoor kunnen bijvoorbeeld spanningen elkaar ongewenst beïnvloeden.”
Tot nu toe zijn de problemen elke keer opgelost door er mankracht tegenaan te gooien. Dat kostte wel veel geld, maar door de schaalverkleining leverde de inspanning uiteindelijk toch weer winst op. ,,Zolang de problemen niet extreem worden, kan de schaalverkleining gewoon doorgaan, maar het wordt wel steeds moeilijker en uiteindelijk loop je vast”, aldus Van Roermund. ,,Op een gegeven moment moet je erover nadenken of je evolutionair verder wilt gaan met de oude technieken en daarmee om de problemen heen wilt werken, of liever op een hele nieuwe manier, revolutionair dus, wilt uitgaan van de effecten die er zijn en daarmee iets nieuws wilt bouwen. Met dat ‘revolutionaire’ concept willen wij in het Dioc-programma werken.”
Beheersbaar
Het Dioc-onderzoek gaat in eerste instantie uit van het bestaande onderzoek aan transistoren die zijn opgebouwd uit kleine aantallen atomen. Van Roermund: ,,Ik heb al een hele tijd geleden over mogelijke toepassingen van die transistoren gesproken met professor Mooij. Hij is als echte fysicus vooral gericht op het begrijpen van de effecten. Hij zag veel problemen, omdat het proces nog niet beheersbaar is. Maar wijwillen toch alvast inspelen op de toekomst en kijken hoe we de devices kunnen gebruiken als het eenmaal zo ver is.”
In de bestaande elektronica bestaat een stroom door een draadje op de chip uit een hele kudde elektronen. Als één elektron een afwijkende koers kiest, is er niets aan de hand. Op de nano-schaal bestaat een stroom uit een rijtje enkele elektronen. Afwijkend gedrag van een enkel elektron kan de hele stroom blokkeren. Statistische effecten die normaal verwaarloosbaar zijn, gaan dan ineens een rol spelen. Je kunt niet met zekerheid zeggen of een elektron precies op het moment dat je dat wilt wordt getransporteerd. Bovendien zijn de devices heel gevoelig voor kleine fouten. Eén enkel atoom op de verkeerde plek kan al een veranderde spanning opleveren en daarmee uiteindelijk een foute berekening.
De huidige digitale elektronica gaat ervan uit dat een bit nul of één is en dat er geen bitfouten mogen optreden. Als er een grote statistische variatie is, mag je daar niet meer van uit gaan. Bovendien moet een stap terug gemaakt worden van digitale naar analoge elektronica, denkt Van Roermund: ,,De elektronica is analoog begonnen. Op een gegeven moment is men overgestapt op digitale elektronica om van de onnauwkeurigheden en onzekerheden af te komen. Daarvoor in de plaats kwam de kwantisatiefout, de fout die je maakt bij het afronden van een signaal in een aantal discrete niveaus. Die fout is beschrijfbaar en daarna is alles gedefinieerd.”
Fuzzy
,,Maar in de nano-technologie wordt de statistische onzekerheid zo groot, dat het beter is om weer de stap naar de efficiëntere analoge elektronica te maken”, vervolgt Van Roermund. ,,Dan moet je wel op een hoger niveau met de onnauwkeurigheden omgaan. Daarom moeten we naar andere manieren van signaalverwerking toe. Er zijn nieuwe trends die onzekerheden toelaten, zoals fuzzy logic en neurale netwerken. Deze methodes zijn geïnspireerd op de biologie. In de natuur is signaalverwerking nog altijd vele malen efficiënter dan wat wij kunnen maken.”
Van Roermund meent dat dit project zich uitermate goed leent voor interfacultaire samenwerking. ,,Groepen bij elektrotechniek, technische natuurkunde en informatica zijn op verschillende niveaus bezig met het optimale eindresultaat. Daarvoor moeten op elk niveau keuzes worden gemaakt. Maar wat op het niveau van de implementatie van transistoren ideaal is, hoeft voor de signaalverwerking niet altijd goed uit te komen. Daar is een compromis voor nodig. Een deel van het Dioc-programma bestaat ook uit het ontwerpen van een simulatieomgeving. Daarmee kan bekeken worden wat de invloed van een verandering op de andere ontwerpniveaus is.”
Dat deze Dioc niet eerder is goedgekeurd, hangt volgens van Roermund samen met het fundamentele karakter van het onderzoek. ,,Het project is voor leken niet zo aansprekend. Bij onderzoek naar betere verkeerssystemen kan iedereen zich iets voorstellen, maar bij onderzoek naar nanotechnologie is dat natuurlijk veel moeilijker. Dit onderzoek schept nieuwe mogelijkheden voor de toekomst, maar het is nu nog niet duidelijk om wat voor toepassingen het daarbij precies gaat.”
De mankracht is voor van Roermund het dominante probleem: ,,Ikmoet nog maar zien of alle aio-vacatures vervuld kunnen worden. Maar ja, je moet nou eenmaal eerst een projectvoorstel goed laten keuren voordat je op zoek kunt naar de mensen die het uitvoeren.”
Comments are closed.