We weten allemaal dat de componenten van processoren (en andere computerchips) gefabriceerd worden op een plakje silicium. Dat is de scheikundige naam voor het belangrijkste element van kiezel of, in zijn fijnste vorm, zand. De zandvoorraad op aarde is onuitputtelijk. Problemen om aan het goedkope basismateriaal te komen, zijn er dus niet.

Wel zijn er in toenemende mate problemen om met dit basismateriaal circuits te vervaardigen die klein genoeg zijn. Hoe meer circuits, hoe krachtiger een processor. Intels eerste microprocessor uit 1971, de 4004, telde 2.300 transistoren, de binaire aan/uitcircuits in geïntegreerde microchips.

Die evolutie vergt steeds grotere plakjes silicium én steeds smallere verbindingen tussen de transistoren. Al die circuits verbruiken bovendien veel energie en produceren daardoor meer warmte. Begin 2016 lanceerde Intel de Xeon Broadwell-E5 met 7,2 miljard circuits.

Tick-tock

Je kunt duidelijk niet onbeperkt circuits op een klein plakje silicium blijven proppen, zoals Gordon Moore, één van de oprichters van Intel, in zijn beroemde wet voorspelde. Oorspronkelijk zei Moore in 1965 dat het aantal transistoren en daarmee de processorkracht jaarlijks zou verdubbelen. In 1975 stelde hij dit bij tot een tweejaarlijkse verdubbeling. Eind 2006 moest hij toegeven dat zijn wet niet eeuwig zou gelden. Vandaag lijkt de wet van Moore zijn houdbaarheidsdatum bijna overschreden te hebben, als we kijken naar hoeveel circuits er op plakje silicium passen.

De bekende Wet van Moore geldt niet eeuwig

Veelzeggend in dat verband is dat Intel vorig jaar (2016) zijn in 2007 geïntroduceerde ‘tick-tock’ productiemodel opgaf. ‘Tick-tock’ hield in dat Intel om het jaar een nieuwe micro-architectuur zou uitbrengen (de ‘tock’) en die het jaar daarna, in de ‘tick’, verder zou verkleinen en optimaliseren. In de toekomst kiest Intel voor een ‘architectuur-optimalisatieproductie in drie stappen’, zonder er een tijdsspanne op te plakken.

14 nm en kleiner

Steeds maar verkleinen kan helaas niet oneindig, omdat je dan tegen de grenzen van de natuurwetten aanbotst. De huidige generatie van Intel-cpu’s zijn gebaseerd op het 14 nm (nanometer) fotografisch halfgeleider-fabricatieproces dat in 2014 voor het eerst werd toegepast op de Core-M-cpu’s van de Broadwell-generatie, een ‘tick’ volgend op de ‘tock’ van de Haswell-generatie cpu’s die nog 22nm-gebaseerd waren.

Om van 14 nm naar 10 nm en vervolgens eventueel naar 7 nm en zelfs 5 nm of kleiner te gaan, kan nog vele jaren duren, als het al mogelijk zal blijken te zijn. Intel hoopt eind 2018 zijn eerste ‘Ice Lake’ 10nm-cpu’s te lanceren. Kleinere, minder uitgebreide ‘mobiele’ 10nm-cpu’s komen mogelijk wel al dit jaar (2017) beschikbaar. Onder andere Apple, MediaTek en Qualcomm in samenwerking met Samsung (Snapdragon 830) kondigden dit aan.

Uitdagingen en beperkingen

Maar de uitdagingen zijn enorm. Tien nanometer is tienduizend keer dunner dan een 100 micrometer dikke mensenhaar. In een verbindingskanaaltje dat 10 nm breed is, passen bijvoorbeeld maar enkele dozijnen watermoleculen! Het is zeer moeilijk om op zulke kleine schaal betrouwbare verbindingen te creëren. Op een bepaald moment verzeil je van de macrowereld in de kwantumwereld, waar heel andere natuurwetten gelden.

Kwantumfluctuaties beïnvloeden de transistoren, die niet langer ondubbelzinnig binair ‘aan’ of ‘uit’ schakelen. Daardoor zijn ze onbruikbaar voor precisieberekeningen. Die beperkingen gelden al helemaal voor moderne processoren met op één en hetzelfde plakje silicium meerdere kernen, verschillende hulpchips en circuits die opgebouwd zijn in een ingewikkelde driedimensionale architectuur.

Hoe omzeilen we in de toekomst de inherente beperkingen van silicium als fundamenteel bouwmateriaal van microprocessoren? Universiteiten en bedrijven werken gelukkig al tijden aan verschillende alternatieven. Daar kijken we in dit volgende artikel naar.

Tekst: Jozef Schildermans