Decennialang werden computers sneller, omdat de componenten op de chips steeds kleiner werden. Maar nu de grenzen van het mogelijke in zicht komen, wenden chipontwerpers zich tot de fotonica. Deze technologie belooft niet alleen enorme energiebesparing, maar mogelijk ook werkelijk bruikbare kwantumcomputers. Wat zijn fotonische chips precies?

“Er bestaat geen reden waarom iedereen thuis een computer zou willen hebben.” Ken Olsen, medeoprichter van het computerbedrijf Digital Equipment Corporation, sprak deze woorden in 1977. En hij had gelijk, want destijds hadden de meeste mensen niets aan zo’n ding. Pas na zo’n vijftien jaar werden pc’s gemeengoed in huishoudens en wat later kwamen de mobiele telefoon en zijn opvolger de smartphone op. Op een enkele hoogbejaarde na heeft iedereen inmiddels altijd zo’n zakcomputer bij de hand. Vergeleken met de computers uit de jaren 70 zijn dat formidabele apparaten. Wanneer je toen voorspeld zou hebben dat iedereen met een snoerloos plankje zou kunnen filmen, navigeren, beeldbellen en betalen en dat we er in permanent contact met bekenden mee zouden staan, dan zou dat louter meewarige blikken hebben uitgelokt.

Kwantummechanische wetten

Een minicomputer die alles kan en waar je zelfs mondelinge vragen aan kunt stellen, moet wel een enorm geoptimaliseerd apparaat zijn. Dat is inderdaad het geval. Smartphones zouden niet mogelijk zijn zonder uiterst compacte componenten, waaronder vooral de microprocessor. De allereerste processor, de Intel 4004 uit 1971, telde 2300 transistors. Tegenwoordig is 15 miljard geen uitzondering. De kloksnelheid bedroeg 740 kilohertz, oftewel zo’n 4000 keer trager dan wat tegenwoordig de norm is. En met 10 micrometer waren de transistors op deze oerchip ook nog eens zo’n 1000 tot 2000 keer groter dan de 10- of 5-nanometer-componenten op de huidige chips.

Hoe fantastisch ook, dit feest kan volgens veel deskundigen niet eeuwig doorgaan. Chips zijn gemaakt van silicium. Een siliciumatoom heeft een doorsnee van ruwweg 0,2 nanometer. De grenzen van de miniaturisering zijn dus in zicht. Daar komt bij dat elektronen, die de dragers van informatie zijn in deze transistors, op deze schaal grillig gedrag vertonen. De kwantummechanische wetten die het gedrag van elementaire deeltjes beschrijven, staan toe dat elektronen zich plotseling op een andere plek bevinden of zelfs op twee plekken tegelijk. Uiteraard is dit niet best voor de stabiliteit van een chip.

©PXimport

System on a chip

Volgens pessimisten komt hiermee een einde aan de Wet van Moore, de vuistregel dat het aantal transistors op een chip pakweg elke twee jaar verdubbelt. Nieuwe processors, zo vrezen ze, zullen niet meer de spectaculaire prestatiesprongen laten zien waaraan we gewend en verslaafd zijn geraakt. Nu zijn ontwerpers van chips gelukkig niet voor één gat te vangen. Het succes van de smartphone is gebaseerd op de uitvinding van de ‘system on a chip’, oftewel SoC. Door de processor, de grafische processor, het werkgeheugen en andere vitale onderdelen op één chip samen te brengen, kan flink wat ruimte en energie worden bespaard. Een laag energieverbruik is essentieel in mobiele apparaten: de accu raakt minder snel leeg en er hoeft minder warmte te worden afgevoerd. Traditionele laptopprocessors, zoals die van Intel, worden bij intensieve taken zo heet dat de chip zelfs bij een loeiende ventilator zijn kloksnelheid moet terugschakelen. SoC’s, zoals de M1-chip in de nieuwste laptops van Apple, blijven dermate koel dat een ventilator meer luxe dan noodzaak is. De nieuwste MacBook Air bevat er dan ook geen.

Geen vreemde eend

Maar hoe slim ook ontworpen, ook SoC’s lopen tegen de grenzen van de miniaturisering aan. Daarom beginnen chipontwerpers aan het fundamentele karakter van de traditionele siliciumchip te morrelen. Zoals we al zagen, is een chip een apparaat waarin groepjes elektronen heen en weer geschoven worden. Dat zijn elementaire deeltjes met een massa en een elektrische lading. Ze zijn daardoor gemakkelijk te manipuleren. Maar wanneer ze bewegen, warmen ze hun omgeving op. Er bestaat ook een deeltje dat dit nadeel niet heeft: het foton. Dit deeltje, feitelijk het kwantum van het elektromagnetische veld, is bepaald geen vreemde bijt in de ICT-industrie. Het wordt al jaren gebruikt om data te verzenden door glasvezelkabels en ook LiDAR berust op het uitzenden en opvangen van fotonen. Maar zodra deze deeltjes in een computer aankomen, geven ze het estafettestokje door aan elektronen, zodat er bewerkingen op kunnen worden uitgevoerd. Het onderzoeksveld dat zich met deze wisselwerking tussen fotonen en elektronen bezig houdt, wordt fotonica genoemd.

©PXimport

Grofstoffelijk

Fotonen kunnen dus worden gebruikt om data te verzenden en de omgeving te scannen, maar vooralsnog niet om te rekenen. Dat is teleurstellend, want fotonische schakelingen zijn in theorie ontzettend snel en erg energiezuinig.

Martijn Heck is sinds 2020 hoogleraar fotonica aan de Technische Universiteit Eindhoven, na eerder werkzaam te zijn geweest aan de Universiteit van Aarhus in Denemarken, waar hij in 2013 de Photonic Integrated Circuits-groep oprichtte. Het probleem met fotonica, zo zegt hij, is dat het niet schaalt. Het is vooralsnog dus onmogelijk fotonische schakelingen te maken die even klein zijn als elektronische transistors. Alleen al om die reden zal fotonica niet de transistor vervangen, aldus Heck tijdens een videogesprek. “Fotonica is te grofstoffelijk.” De voordelen van fotonica blijken subtieler. Fotonica, zo verzekert Heck, is goed in lengte. In het verzenden van data over lange afstanden dus. Glasvezelverbindingen vormen het ultieme voorbeeld, maar met de hoge datasnelheden van en naar de huidige microprocessors zijn decimeters en centimeters eveneens niet te negeren afstanden. Fotonica is daarom de aangewezen technologie om in datacenters servers met elkaar te verbinden. Dit wordt al in praktijk gebracht. Energiebesparing is daartoe opnieuw de belangrijkste stimulans.

©PXimport

Multiplexen

De volgende stap is het verbinden van verschillende chips binnen één systeem. Het Californische bedrijf AyarLabs bijvoorbeeld beweert een technologie in huis te hebben waarmee over afstanden van enkele millimeters tot twee kilometer bandbreedtes kunnen worden behaald die duizend keer hoger liggen dan die van traditionele elektrische verbindingen, bij een tien keer zo laag energieverbruik.

Heck is ervan overtuigd dat in de toekomst de verschillende onderdelen van één en dezelfde chip met fotonica verbonden zullen worden. Dat is nu nog problematisch, omdat het om heel korte afstanden gaat, waarbij de omzetting van elektronisch naar fotonisch en terug een wissel trekt op het energieverbruik. Dat er niettemin toekomst in zit, komt door de hoge bandbreedtes die behaald kunnen worden door te multiplexen: verschillende golflengtes kunnen tegelijkertijd over hetzelfde kanaal worden verzonden. Want niet alleen bandbreedte, maar ook bandbreedtedichtheid kan in huidige chips problematisch zijn, aldus Heck. “Denk in termen van het aantal pinnetjes waarmee de chip op het moederbord vast zit. Dat is beperkt. Multiplexen is daarom een goede oplossing.” Voor dat dit allemaal goed mogelijk is, dienen er nog wel wat materiaaltechnische hindernissen overwonnen te worden. Op dit moment berust de hele halfgeleiderindustrie op silicium. Dat is helaas een materiaal dat niet geneigd is licht uit te zenden. Er wordt daarom volop geëxperimenteerd met andere materialen, zoals galliumarsenide en indiumfosfide, die wel in staat zijn binnen een chip fotonen te produceren. Maar de integratie van zulke materialen in bestaande productielijnen voor chips is niet triviaal.

Kwantumcomputers

Zodra deze problemen overwonnen zijn, voorziet Heck wel degelijk fotonische systemen die specifieke rekenkundige bewerkingen uit kunnen voeren. In theorie zijn optische computers megaparallel. Dat maakt ze geschikt voor specifieke toepassingen, zoals het doorzoeken van databases. Het Britse bedrijf Optalysys pioniert hierin. Het parallelle karakter van fotonica maakt het ook geschikt voor neuromorfische processors: chips die net als dierlijke hersenen signalen tegen elkaar afwegen. In moderne SoC’s zijn zulke modules soms al aanwezig ter ondersteuning van machine learning en AI. Heck stelt zich voor dat zulke modules in de toekomst fotonisch van aard zullen zijn. Ze zullen veel krachtiger zijn dan de huidige neuromorfische modules, vanwege het feit dat licht uitgesplitst kan worden in verschillende frequenties die parallel verwerkt kunnen worden.

Verrassend genoeg ontwaart Heck ook raakvlakken tussen fotonica en kwantumcomputing. Kwantumcomputers zijn apparaten die problemen oplossen door gebruik te maken van de meest fundamentele eigenschappen van de natuur, zoals die beschreven worden door de kwantummechanica. Volgens deze theorie, die de afgelopen honderd jaar aan alle kanten experimenteel bevestigd is, bevinden elementaire deeltjes zich van nature in een zogenaamde superpositie. Dit is een vrij complex natuurkundig concept, maar in een kwantumcomputer betekent het dat de basiseenheid van informatie geen bit is, maar een qubit. Waar een bit 0 of 1 is, is een qubit een superpositie van deze twee toestanden. Qubits kunnen bovendien met elkaar verstrengeld zijn, een mysterieuze toestand waar Einstein zelf nog zijn tanden op stuk heeft gebeten. Hoe dan ook, de theorie voorspelt dat kwantumcomputers in principe reusachtig krachtig zijn in, vooral, het ontrafelen van processen in de natuur. De verwachting is dat ze zullen leiden tot doorbraken in onder meer de materiaalkunde en de farmacie.

©PXimport

Xanadu en PsiQuantum

De even beroemde als excentrieke natuurkundige Richard Feynman zei ooit dat wanneer iemand zegt de kwantumfysica te begrijpen, dat het bewijs vormt dat hij er niets van begrepen heeft. Onderzoekers die kwantumcomputers proberen te ontwerpen, tasten inderdaad voor een belangrijk deel in het duister. Het principe lijkt te werken, maar het blijkt uiterst moeilijk om het aantal qubits op te schalen tot het niveau waarop een apparaat werkelijk bruikbaar wordt. Elke toegevoegde qubit verdubbelt weliswaar de rekenkracht, maar dat lijkt ook te gelden voor de complexiteit van het systeem. IBM heeft niettemin simpele kwantumcomputers online staan waar geïnteresseerden nu al eenvoudige bewerkingen op uit kunnen voeren.

Fysieke qubits kunnen uit allerlei deeltjes (of grotere objecten) bestaan. Die dienen meestal wel tot bijna het absolute nulpunt afgekoeld te worden om te voorkomen dat omgevingsinvloeden de superpositie om zeep helpen. Fotonen daarentegen kunnen ook bij kamertemperatuur als qubits worden gebruikt. De Canadese start-up Xanadu presenteerde dit voorjaar ‘s werelds eerste fotonische kwantumchip. En deze zomer haalde het Californische bedrijf PsiQuantum 450 miljoen dollar op voor de ontwikkeling van de Q1: een op silicium gebaseerde fotonische kwantumcomputer met superieure foutcorrectie – een heet hangijzer in de wereld van de kwantumcomputing.

©PXimport

Wereldspelers à la ASML

Te midden van deze ontwikkeling rijst de vraag: in welke ontwikkelingsfase bevindt de fotonica zich als je het vergelijkt met de ontwikkeling van de micro-elektronica, als we de eerste Intel-chip uit 1971 als ijkpunt nemen? “In de buurt van 1980”, zegt Heck. Dat is een intrigerend antwoord. Dat betekent namelijk dat deze industrie een grote toekomst tegemoet gaat. Heck bevestigt dat hij exponentiële groei voor zich ziet.

Of jonge Nederlandse fotonicabedrijven zullen uitgroeien tot wereldspelers à la ASML, valt volgens Heck niet te zeggen. Dat hangt volgens hem ook sterk af van de manier waarop de huidige giganten, zoals de Taiwanese chipfabrikant TSMC, op deze ontwikkelingen inspelen. Hij benadrukt wel dat we in Nederland over ‘strategische technologie’ beschikken. De overheid onderkent dat ook. Vorig jaar nam het ministerie van Economische Zaken deel aan een investering van 35 miljoen euro in het Eindhovense SMART Photonics, maker van fotonische chips op basis van indiumfosfide. Zonder dat geld was dit innovatieve bedrijf met 75 werknemers hoogstwaarschijnlijk in Aziatische handen gevallen. Of de Wet van Moore gered zal worden door fotonica, lijkt inmiddels de verkeerde vraag. Moores vuistregel heeft eigenlijk alleen betrekking op de traditionele computerchip. Maar met fotonica slaat de computerindustrie een weg naar onbekend terrein in. Wellicht wacht aan de horizon de heilige graal in de vorm van een superkrachtige fotonische kwantumcomputer. Maar energiezuinige datacenters zijn ook de moeite waard.

©PXimport

De twee gezichten van het licht

Je bent onderweg en ziet dat je telefoon nog maar vijf procent batterij heeft. Op dat moment is een powerbank precies wat je nodig hebt. Alleen: welke? De juiste keuze begint met twee vragen: hoeveel energie heb je onderweg nodig en hoe snel moet die energie eruit kunnen?

Capaciteit: mAh is handig, maar reken in Wh

In de specificaties van powerbanks zie je bijna altijd een getal in milliampère-uur (mAh). Maar daarbij moet je je wel realiseren dat dat niet het hele verhaal is. Fabrikanten geven die mAh vaak op bij de interne batterijspanning van de cellen in de powerbank (meestal rond 3,6 tot 3,7 volt). Jouw telefoon laadt meestal via 5 volt, en bij snelladen soms op 9 of 12 volt. Die omzetting kost energie.

Zie de powerbank als een watertank met een kraan die je moet omzetten naar een andere maat aansluiting. Dat omzetten levert altijd wat verlies op. Daarom haal je in de praktijk niet 10.000 mAh uit 10.000 mAh. Reken grofweg met een bruikbare opbrengst die vaak ergens rond de 60 tot 80 procent ligt, afhankelijk van de kwaliteit van de elektronica en hoe je laadt. Met 10.000 mAh kun je een gemiddelde smartphone daarom meestal geen twee keer volledig vullen, maar eerder ongeveer anderhalf keer. Heb je een telefoon met een kleinere accu, dan kom je dichter bij de opgegeven twee keer; met een grotere accu haal je dat juist minder snel.

Wil je wat preciezer rekenen, kijk dan naar wattuur (Wh). Dat is de eenheid die echt iets zegt over hoeveel energie erin zit. Een eenvoudige omrekening helpt: Wh = (mAh × volt) / 1000. Staat er op de powerbank bijvoorbeeld 10.000 mAh bij 3,7 V, dan is dat ongeveer 37 Wh aan energie in de cellen, voordat je het omzetverlies meeneemt.

Hoeveel capaciteit heb je echt nodig?

Als je vooral een extra lading voor je telefoon zoekt op een lange dag, dan zit je met 10.000 mAh in de praktijk vaak goed. Is 'bijna vol' al al genoeg, dan kan 5.000 mAh ook, maar reken er dan niet op dat je elke moderne smartphone die helemaal leeg is weer volledig volgeladen krijgt. Ga je een weekend weg of laad je meerdere apparaten op, dan is 20.000 mAh een logische stap. Je hebt dan meer oplaadcapaciteit, maar houd er wel rekening mee dat dat ook betekent dat de powerbank groter en zwaarder is.

Voor tablets geldt hetzelfde principe, alleen is de interne accu meestal groter dan die van een telefoon. Daardoor lijkt een powerbank die voor je telefoon prima is, bij een tablet ineens snel leeg. Dat is niet vreemd: je giet simpelweg meer water in een grotere emmer. Voor laptops ligt het net even anders: daar draait het niet alleen om capaciteit, maar vooral om het vermogen (wattage). Daar komen we zo op terug.

🔋Tot zover ging het over de hoeveelheid energie (mAh/Wh). De volgende stap is de afgifte: met welk vermogen (watt) kan de powerbank die energie aan je telefoon, tablet of laptop leveren? 

Snelheid: wattage maakt het verschil

Capaciteit zegt iets over hoe vaak je kunt laden. Snelheid gaat over wattage: hoeveel vermogen de powerbank kan leveren. Dat vermogen is vooral relevant als je snel wilt bijladen, of als je een tablet of laptop wilt opladen. USB-c is daarbij de norm geworden, en USB Power Delivery (PD) is de techniek waarmee lader en toestel afspraken maken over spanning en stroom. Je powerbank en je telefoon of laptop stemmen dat onderling af, zodat laden snel kan zonder dat het onveilig wordt. Daarvoor moeten de poort en je kabel het wel ondersteunen. Let daarom ook op de aansluitingen: usb-c heb je nodig voor snelladen met Power Delivery, terwijl usb-a vooral handig is als je oudere kabels of accessoires gebruikt.

©vadish - stock.adobe.com

Eén powerbank voor telefoon én laptop: waar je op let

Een laptop opladen vraagt meer dan een telefoon. Bij een telefoon kom je vaak weg met 10 tot 20 watt. Een laptop heeft meestal 45 watt of meer nodig, en veel modellen werken prettiger met 65 watt of hoger, zeker als je tijdens het laden ook blijft werken. De beste snelcheck is simpel: kijk naar het wattage van je eigen laptoplader. Dat is je richtgetal. Zit je daar ver onder, dan kan het laden extreem traag worden, of je laptop accepteert de lader helemaal niet.

Ook de juiste kabel is belangrijk. Voor hogere vermogens is niet elke usb-C-kabel geschikt. Tot ongeveer 60 watt (meestal 20 V bij 3 A) gaat het vaak goed met een kabel die expliciet 3 A ondersteunt. Ga je boven de 60 watt, dan heb je doorgaans een usb-c-kabel nodig die 5 A aankan. Zulke kabels hebben meestal een kleine chip in de stekker, een zogeheten e-marker. Die chip vertelt aan de powerbank en je laptop dat de kabel veilig meer stroom kan verwerken. Zie het als een identiteitsbewijs: zonder e-marker schakelt het systeem vaak terug naar een lagere stand, zodat het laden langzamer gaat en de kabel niet te warm wordt. Kijk in de specificaties of op de kabel zelf of er 3 A (tot circa 60 W) of 5 A (voor hogere vermogens) staat; dat is de snelste check. 

Formaat en gewicht: energie weegt nu eenmaal wat

Meer capaciteit betekent meestal meer cellen, en dus meer gewicht. Een powerbank van 20.000 mAh zit vaak ergens in de buurt van 350 tot 500 gram. Dat voelt in een jaszak al snel log. In een rugtas valt het mee. Stel jezelf dus de vraag: wil je elke dag een kleine powerbank mee voor noodgevallen, of is dat voor jou niet genoeg en ga je dus voor een grotere powerbank? 

Veiligheid: kies niet alleen op prijs

Bij draagbare accu's wil je geen twijfel over veiligheid. Een powerbank hoort bescherming te hebben tegen oververhitting, overladen en kortsluiting, maar bij heel goedkope modellen is dat niet altijd goed geregeld. De kans dat het misgaat is klein, alleen zijn de gevolgen groot als het wél gebeurt. Kies daarom liever een merk dat laat zien hoe het met veiligheid omgaat en dat testnormen en keurmerken gewoon vermeldt. Je hoeft die standaarden niet uit je hoofd te leren, maar het helpt als een merk concreet zegt welke testen en keurmerken het gebruikt. 

Zo kies je de juiste powerbank

 De juiste powerbank kies je door stap voor stap te bepalen wat je nodig hebt: eerst de hoeveelheid energie (liefst in Wh, met mAh als praktische indicatie), daarna de laadsnelheid (wattage en PD), en pas daarna pas de vorm en het gewicht. Voor dagelijks gebruik zit je vaak goed met een compacte powerbank rond 10.000 mAh met usb-c en Power Delivery. Wil je meer capaciteit zodat je meerdere keren kunt opladen (of ook je tablet opladen), dan is 20.000 mAh logischer. Houd er dan wel rekening mee dat de powerbank zwaarder wordt. Wil je ook een laptop kunnen laden, kijk dan naar het wattage van je laptoplader en kies een powerbank die dat vermogen via usb-c PD kan leveren, inclusief een kabel die geschikt is voor dat hogere vermogen.

Uitgever Square Enix heeft de game Life is Strange: Reunion aangekondigd, een nieuw deel in de Life is Strange-franchise.

Begin deze maand gingen er al geruchten over het spel, omdat de naam al gemeld werd op de website van PEGI, de Europese organisatie die leeftijdskeuringen geeft aan spellen. Inmiddels is de game dus officieel aangekondigd en valt hieronder de eerste trailer te zien.

De allereerste Life is Strange-game draaide om hoofdpersonage Max Caulfield en haar vriendschap met Chloe Price. Vervolgen Life is Strange 2 en Life is Strange: True Colors draaiden echter om andere personages. In het in 2024 uitgekomen Life is Strange: Double Exposure keerde Max al terug, en in het aanstaande Reunion zijn beide dames weer te zien.

Terug naar Caledon University

Sterker nog: Life is Strange Reunion moet de saga rondom Max en Chloe in zijn geheel afronden. Het is dus waarschijnlijk dat dit de laatste game wordt waarin beide vriendinnen te zien zijn. Spelers doen wederom Caledon University aan, waar Max als een fotografiedocente werkt. Wanneer ze na een weekendje weg terugkeert, staat de school echter in brand, wat desastreuse gevolgen heeft voor het gebouw en de studenten.

Max kan zelf echter ternauwernood ontsnappen dankzij een speciale kracht waardoor ze de tijd kan terugspoelen - een kracht die terugkeert uit het oorspronkelijke spel. Max heeft vervolgens drie dagen de tijd om uit te zoeken hoe de brand ontstond en het tegen te houden. Tegelijkertijd arriveert ook Chloe op Caledon, die geplaagd wordt door de nachtmerries van een verleden die ze nooit heeft meegemaakt.

Spelers besturen in deze verhalende adventuregame afwisselend Max en Chloe, waarbij men gebruik kan maken van de terugspoelkrachten van Max en Chloe's praatgrage mond om meer info te achterhalen.

Vanaf 26 maart beschikbaar

Life is Strange: Reunion verschijnt op 26 maart voor PlayStation 5, Xbox Series X en S en pc. De standaard versie gaat 49,99 euro kosten, maar er komen ook een Deluxe Edition (59,99 euro), Twin Pack met Life is Strange: Double Exposure (69,99 euro) en Collector's Edition (prijs in euro's nog niet bekend, 99,99 dollar) beschikbaar.