Op deze website gebruiken we cookies om content en advertenties te personaliseren, om functies voor social media te bieden en om ons websiteverkeer te analyseren. Ook delen we informatie over uw gebruik van onze site met onze partners voor social media, adverteren en analyse. Deze partners kunnen deze gegevens combineren met andere informatie die u aan ze heeft verstrekt of die ze hebben verzameld op basis van uw gebruik van hun services. Meer informatie.

Akkoord
abonneren

Hoe we toch nog snellere processoren kunnen maken

None
Volgens de Wet van Moore verdubbelt de kracht van processoren iedere twee jaar. Inmiddels is duidelijk dat dit niet meer haalbaar is. Hoe zorgen we er dan voor dat we toch steeds snellere processoren krijgen? Er wordt aan verschillende oplossingen gewerkt, die we hier onder de loep nemen.

Lees eerst: Waarom cpu's hun maximale snelheid aan het benaderen zijn

Een eerste mogelijke oplossing is om silicium op een andere manier te gebruiken. Een tweede mogelijkheid is duurdere halfgeleiders te gebruiken die in het periodiek systeem in de buurt van silicium zitten en dus dezelfde eigenschappen bezitten, maar waarmee je kleinere, snellere circuits kunt fabriceren. Je zou de plakjes silicium bijvoorbeeld op elkaar kunnen stapelen, net zoals je in een stad verdichting creëert door in de hoogte te bouwen. 

Je kunt daar niet onbeperkt mee doorgaan, maar het zou wat ademruimte geven. Als je voor verdichting van de processor kiest, zou je een plakje silicium (Si) bovendien kunnen afwisselen met een laagje in een beter, maar duurder halfgeleidermateriaal, zoals galliumarsenide (GaAs) of galliumnitride (GaN). Halfgeleiderfabrikanten hebben daar al de nodige ervaring mee, want ze gebruiken deze materialen bijvoorbeeld bij de productie van leds en zonnecellen.

Cpu: alternatieven voor silicium

Vooral galliumnitride heeft verschillende voordelen tegenover silicium: betere geleiding, bestand tegen hogere temperaturen en geschikt voor sterkere stroomniveaus. Belangrijkste nadeel is de hogere kostprijs van het basismateriaal. 

Zo kan de wet van Moore toch nog tientallen jaren mee

Bij de overschakeling naar het nieuwe materiaal hoeft, in tegenstelling tot bij het vergelijkbare silicium-alternatief galliumarsenide, het bestaande productieproces niet fundamenteel omgegooid worden. Zo zou de wet van Moore misschien toch nog enkele decennia langer meekunnen, zéker als we ze interpreteren als een tweejaarlijkse verdubbeling van de processorkracht, eerder dan van het aantal schakelingen.

Koolstof en grafeen

Je zou ook koolstof als basismateriaal kunnen gebruiken. Onder andere IBM experimenteert al een tijd met piepkleine koolstofbuisjes waarmee je werkende processoren zou kunnen bouwen nét boven de schaal waarop kwantumfluctuatie optreedt. Die koolstofbuisjes zijn gemaakt van opgerolde plakjes grafeen. Dat is een laag koolstof van één atoomdikte. Onder de microscoop ziet het eruit als een honingraat of kippengaas.

Dit materiaal is een uitstekende halfgeleider, maar je kunt er, omwille van technische redenen die ons te ver zouden voeren, geen transistor mee bouwen. Rol je het grafeen op, dan lukt dat wel. In het lab werken deze grafeentransistoren precies zoals hun siliciumtegenhangers. Zelfs beter, want grafeen geleidt elektriciteit veel sneller dan silicium. Het gebruikt daarbij minder stroom en produceert dan ook minder warmte. Bovendien zijn de koolstofbuisjes maar één nanometer dik, veel dunner dan wat met silicium haalbaar is.

Maar daarmee heb je nog geen grafeenprocessor. Eén van de belangrijkste op te lossen problemen is duurzame contacten te ontwikkelen tussen een grafeentransistor en de metalen contacten aan elke zijde van de transistor. Die contacten kunnen immers maar een atoom dik zijn en dat maakt het moeilijk om er efficiënt stroom door te laten vloeien.

Het IBM Watson Research Center slaagde er in 2015 in om metalen contacten van slechts 9nm dikte aan dunne koolstofbuisjes vast te lassen (Science, 2/10/2105). De volgende stap is om de aldus gebouwde miniatuurtransistoren in een voldoende hoge dichtheid op een platte laag of ‘wafel’ te plaatsen.

Het blijft koffiedik kijken hoelang het nog zal duren voor deze snellere en kleinere koolstofchips op de markt zullen komen. Maar naast hun hogere snelheid en lager energieverbruik hebben ze nog een groot voordeel ten opzichte van silicium. Ze zijn zo dun en flexibel dat je ze ook voor futuristische toepassingen kunt gebruiken, zoals extreem slimme sensoren of zelfs ‘computers’ die je gewoon op je huid plakt.

Kwantumcomputers

Zodra de circuits in een processor even klein zijn als een handvol moleculen, iets wat al over een jaar of tien het geval kan zijn, treden kwantumfluctuaties op. De limiet bevindt zich ongeveer bij 2 à 3nm, wat overeenstemt met tien atomen. De transistoren gaan dan niet meer betrouwbaar aan en uit. De hedendaagse informatica is echter volledig afhankelijk van die binaire schakelingen.

Een kwantumcomputer is meer dan een theoretische mogelijkheid

Maar wat als we de eigenaardigheden van de kwantumwereld gewoon zouden omarmen? Kwantumschakelingen hebben niet twee, maar een oneindig aantal toestanden. Doe daar je voordeel mee en je bouw microchips die ondenkbaar veel sneller schakelen dan de huidige binaire microchips.

Een kwantumcomputer is meer dan een theoretische mogelijkheid. Aan de universiteit van Yale had men in 2009 al een werkende proefopstelling. En eind 2016 slaagden dezelfde wetenschappers erin om een microchip te ontwerpen die zichtbaar licht in infrarode golven omzet zonder aan de kwantumstaat van fotonen te komen (Physics APS, 16/9/2016). Die techniek zou wel eens essentieel kunnen blijken om toekomstige kwantumcomputers betaalbaar te houden. Maar of dit ooit voor alledaagse computertoepassingen gebruikt zal worden, is zeer de vraag. 

Hulpprocessoren

Een andere mogelijkheid is om het fundamentele ontwerp van de centrale processor te wijzigen. Je zou bijvoorbeeld bepaalde taken kunnen delegeren aan hulpprocessoren. Gedeeltelijk is dit vandaag al werkelijkheid in de nieuwste geïntegreerde processoren die bijvoorbeeld ook een grafische component of gpu bevatten.

Gpu’s worden vooral gebruikt voor grafische bewerkingen, maar je kunt ze ook inzetten om sommige computertaken op te breken in kleine discrete vraagstukken en die op te lossen met behulp van massieve parallelle berekeningen. Daar zijn de relatief eenvoudige gpu’s met hun beperkte instructiesets nu eenmaal erg goed in, vooral omdat er in één chip heel veel gpu-kernen gecombineerd worden.

Dit houdt wel in dat je je computerbesturingssysteem en computer-apps op een andere manier ontwerpt, zodat ze die extra beschikbare processorkernen ook effectief én efficiënt gebruiken. Maar de meeste traditionele computerapplicaties gebruiken nog altijd zelden meer dan één of twee van de beschikbare ‘cores’ van een cpu, laat staan dat ze de gpu voor extra berekeningen zouden gebruiken. Die applicaties (en de onderliggende besturingssystemen) zouden dus allemaal herschreven moeten worden. Dat kost geld én tijd. Dat is ook de reden waarom er wereldwijd maar een handvol chipfabrikanten zijn. De investeringen zijn immers gigantisch.

Het is trouwens onmogelijk om alle computertaken zomaar in kleine, losse stukje op te delen die je vervolgens parallel door eenvoudigere, maar massieve hulpprocessoren laat oplossen. Sommige problemen zijn nu eenmaal niet deelbaar. Die los je nog steeds veel sneller op met een ‘traditionele’, krachtige centrale processor. En dan zijn we weer terug bij af, want we zagen al dat de klassieke silicium-processor bijna aan het einde van zijn krachten zit.

Tekst: Jozef Schildermans

Geschreven door: Redactie PCM op

Category: Nieuws, Processoren

Tags: intel, Processor, Cpu, kwantumcomputer

Nieuws headlines

Laatste reactie