Energie filteren in toekomstige chips

Het “internet of everything” belooft een toekomst waarin we miljarden chips verwerken in kleding, huishoudtoestellen en verkeerslichten, en deze verbinden met het internet om alledaagse dingen vlotter te doen verlopen. Maar dit toekomstbeeld staat haaks op de verhouding die we vandaag hebben met onze elektronische gadgets, zoals smartphones die te snel leeglopen en oververhitten. Dit vraagt om een nieuwe chiptechnologie die zuiniger omspringt met de beperkte energievoorraad van de batterij. Energiezuinigere chips zijn niet alleen goed voor u, omdat uw smartphone-batterij dan langer meegaat, maar ook voor moeder aarde, omdat ze het toekomstige energieverbruik in de wereld drastisch kunnen verlagen.

Apple CEO Tim Cook is ervan overtuigd dat in de toekomst iedereen op deze aardbol een smartphone in zijn of haar broekzak zal hebben zitten. Dit zijn naar schatting meer dan 8 miljard smartphones, elk voorzien van een chip. Als we daar de chips bijtellen die nodig zijn om een internet of everything uit de grond te stampen, zitten we aan een enorme hoeveelheid chips. Deze chips zullen we bijkomend moeten produceren, hoewel de chipfabrieken vandaag 24u op 7 draaien om aan de vraag naar chips te voldoen. Om de productie van chips op te krikken, kunnen we meer chipfabrieken neerpoten, of beter, de chips kleiner maken zodat meer chips tegelijk de productielijn in een bestaande chipfabriek kunnen doorlopen.

Naast het verkleinen van de chips is er nog een andere uitdaging bij een grootschalige uitrol van het internet of everything: de bezorgdheid om onze privacy. Door het verkleinen van de chips verhuist veel van de rekenkracht van de chip naar de cloud en behoudt de chip enkel haar functie om informatie te verzamelen en door te sturen. Ook gevoelige informatie komt in de cloud terecht. Een mogelijke manier om dit privacy probleem aan te pakken, is om de gevoelige informatie eerst in de chip zelf te verwerken en pas daarna naar de cloud te sturen. Maar dit betekent meer rekenwerk voor de chip en als gevolg een sneller slinkende batterij. Een internet of everything dat rekening houdt met onze privacy, vraagt dus om kleinere chips die daarenboven energiezuiniger zijn.

Intelligent T-shirt

Energiezuinigere chips zijn een echte noodzaak voor het internet of everything. Neem nu het voorbeeld van een toekomstig T-shirt dat via een chip met het internet is verbonden. Naast de chip zit een kleine batterij met een beperkte energievoorraad. De batterij kan opgeladen worden door energie te ‘oogsten’ uit de omgeving, bijvoorbeeld via de wrijving tussen het T-shirt en de huid tijdens het bewegen. Dit is echter een wispelturige energiebron: de energiebevoorrading kan schommelen als je voor langere tijd stilstaat of plots begint te bewegen. Daarom moeten de chips energiezuinig zijn, zodat ze niet stilvallen op het ogenblik dat de energiebevoorrading op een laag pitje staat. De chip kan ook beschikken over enkele sensoren, zoals een vochtigheidssensor om een zweetsignaal te detecteren of een kleursensor om de hartslag op te meten wanneer de huid afwisselend lichtjes rood kleurt tijdens de hartslag. Als de chip niet energiezuinig is, zal ze op de huid warmlopen en de sensormetingen beïnvloeden.

Chips

Hoe maak je een kleinere en energiezuinigere chip? Chips bestaan uit drie onderdelen: de metaalverbindingen, het isolatiemateriaal en de silicium-schakelaars. Silicium is afkomstig van zand en wordt voor de productie van chips in uiterst pure vorm klaargemaakt. In één chip zitten rond de 2 miljard schakelaars die openen en sluiten op basis van signalen die binnenkomen via de metaalverbindingen. De schakelaars in huidige chips bestaan uit een vlakke poort en een vlak kanaal. De poort is het deel van de schakelaar waar het signaal toekomt. Een signaal op de poort zorgt dat er een stroom van elektronen kan lopen door het kanaal. Bijvoorbeeld, als een zweetsignaal toekomt op de poort, vloeit er een stroom door het kanaal. Als het zweetsignaal en het hartslagsignaal aangesloten zijn op twee schakelaars, zal er enkel een stroom lopen als beide schakelaars dit toelaten. Dit maakt het mogelijk om bijvoorbeeld een notificatie te sturen als de persoon zweet én een verhoogde hartslag heeft.

Lekstroom

Overal waar stroom loopt in de chip wordt energie verbruikt. Het probleem met vlakke schakelaars is dat ze een te grote lekstroom hebben, wat zorgt voor onnodig energieverlies. Lekstroom is de stroom die tóch kan lopen door een schakelaar, ook als er geen signaal toekomt op de poort. Dit vormt een groot probleem in chips bestemd voor het internet of everything. De chip in het intelligent T-shirt bijvoorbeeld, zal voor langere tijd verbonden moeten blijven met het internet, wachtend op een signaal van een druppeltje zweet of een verhoogde hartslag. De hoogenergetische elektronen aan de ingang van de schakelaar zijn de boosdoeners van de lekstroom, en we gaan ze aanpakken door energiefilters in te bouwen in een nieuw type schakelaar, de nanodraad-schakelaar, die minder plaats inneemt op de chip. 

Energie filteren

Onderzoek naar nanodraad-schakelaars kan niet zonder de theorie van de kwantummechanica, omdat de nanodraad in doorsnede slechts enkele tientallen atomen telt. Kwantummechanica vereist het oplossen van de Schrödingervergelijking, waaruit de toegelaten energieën van de elektronen in de nanodraad volgen. Als we de Schrödingervergelijking oplossen voor een kanaal met een periodische geometrie, zoals bijvoorbeeld met vernauwingen, vinden we energiebanden die verboden zijn in het kanaal. Via het ontwerp van het kanaal kunnen we variëren welke energiebanden toegankelijk zijn voor de elektronen in het kanaal en welke niet. Daarom spreken we van een energiefilter. De juiste energiefilter kan de hoogenergetische elektronen blokkeren en zo de lekstroom verlagen.

Het eerste onderzoek op basis van computersimulaties toont aan dat nanodraad-schakelaars met energiefilters inderdaad energie kunnen besparen. Experimentele onderzoekers bekijken momenteel of we de nanodraden met energiefilters kunnen maken, liefst aan een zo laag mogelijke kost, want goedkope en energiezuinige chips zullen in een internet of everything-samenleving geen overbodige luxe zijn. En als het internet of everything er toch niet zou komen, laten we dan de energiezuinige chips gebruiken in onze smartphones, om bijvoorbeeld met z’n allen Pokémon Go te gaan spelen, maar dan zonder extra batterij op zak.