Je tikt een zoekvraag in. Je stuurt een bestandje naar iemand. Simpele handelingen, die bijna vanzelf lijken te gaan. Maar al die handelingen vragen steeds meer rekenkracht van de computersystemen en datacenters van deze wereld. Hoe kan de beschikbare energie onze toenemende vraag naar rekenkracht bijbenen? Nanotechnologie speelt een beslissende rol bij het antwoord op die vraag. In het brein van Aleksander Andreski, associate-lector NanoPhysics, is zeker geen gebrek aan rekenkracht. Hij neemt ons mee naar de nanowereld, waarin de architectuur van computers wordt vernieuwd en energie wordt geleid met de snelheid van het licht.
Sensors die verzamelen
Teksten, foto’s en video’s: het bètabrein denkt dan al snel aan data. En aan de transmissie van al die nullen en enen. Aleksander Andreski vertelt dat de exponentiële toename van de hoeveelheid data, is te wijten aan onze technologische vooruitgang. “Vroeger hadden we pc’s,” zegt hij, “met een gelimiteerde opslag en gelimiteerde sensoriek. Maar steeds meer heb je heel veel sensoren die data verzamelen. Camera’s, maar ook meer units van elektronica die kunnen opslaan, dingen verzenden, enzovoort. Dan neemt de hoeveelheid data exponentieel toe. En de rekenkracht die je daarvoor nodig hebt.”
Dan gaat het alleen nog maar over persoonlijk gebruik. In het bedrijfsleven zijn – om maar een voorbeeld te noemen – steeds meer mensen gaan thuiswerken. Met bestanden in de cloud en camera’s die videoconferenties mogelijk maken. Ofwel: data, data en nog eens data. “Vergeet ook niet finance,” zegt Aleksander. “Daar zit ook heel veel data … Bitcoin mining is zeer rekenkrachtintensief.”
De magie van nano
De grootste uitdaging zit hem dus in de transmissie van data. Of zoals Aleksander zegt: “Als je data hebt, moet je er iets mee doen.” Smartphones, die zelfs automatisch doorgaan met het zenden en ontvangen van data, zijn daarbij een goed voorbeeld. Aleksander: “De chipjes die we allemaal hebben in onze telefoons, zijn al nanotechnologie. De zogenaamde semiconductor industry. Dat is de eerste nanotechnologie die er was, met structuurtjes in het nanodomein … Alleen, we rekenen dat niet écht tot de nanotechnologie, omdat daar alleen maar gebruik wordt gemaakt van nanotechnologische methodes om de dimensies te verkleinen. Je gebruikt niet de inherente voordelen die je hebt in de fysica.”
Efficiëntere microchips met behulp van NanoPhysics.
Nanotechnologie gaat dus niet alleen maar over ‘het kleiner maken van dingen’ met behoud van functionaliteit. Aleksander vertelt: “Nanotechnologie betekent dus dat je ook gebruik maakt van de speciale effecten die optreden als je iets heel klein maakt. Op een nanoschaal.” Zo heeft ieder deeltje een oppervlakte en een specifiek aantal grensvlakken. Aleksander legt uit dat je daarom in één gram superkleine deeltjes meer grensvlakken kunt vinden dan in één gram grotere deeltjes. “Op de grensvlakken gebeuren speciale dingen,” zegt hij. “Meer katalytische krachten bijvoorbeeld.” Waarmee hij verwijst naar het principe waarbij een scheikundige reactie sneller of efficiënter verloopt.
Snelle schakelingen
Over de wonderlijke voordelen van werken op nanoschaal, raakt Aleksander niet uitgepraat: “…dat gebeurt ook als je elektrische structuren hebt die je heel klein maakt, dan kan je bijvoorbeeld hele snelle schakelingen maken. Die werken met andere fysische principes dan waar de halfgeleiderindustrie, de transistoren mee werken.” Snellere schakelingen zijn essentieel als het gaat over de toenemende vraag naar rekenkracht. Zo zouden deze schakelingen in de toekomst kunnen zorgen voor efficiëntere datacenters.
De civilisatie stopt als we niet meer kunnen rekenen straks.
Terug naar de vraag of de beschikbare energie de toenemende behoefte aan rekenkracht kan bijbenen. Hoe bevlogen Aleksander ook spreekt over zijn vakgebied, er moet volgens hem nog heel veel gebeuren. Hij verwijst naar een scenario waarin maar liefst 21% van de totale energievraag in 2030 te maken zal hebben met ICT (‘The Information Factories’, Nicola Jones). Hierbij gaat het om de optelsom van energie die nodig is voor ICT-netwerken, consumer devices, datacenters en de productie van ICT-middelen. En als we alles op de ‘oude’ manier blijven doen? “Dan gaan we gewoon in tien, twintig jaar geen energie meer hebben. En dat is buiten de energietransitie om … De civilisatie stopt als we niet meer kunnen rekenen straks.”
Het winnende lot
In gesprek met Aleksander wordt duidelijk dat er niet één antwoord is op de vraag hoe we de steeds grotere vraag naar rekenkracht in de toekomst gaan opvangen. “Het is investeren in meerdere fysische principes,” zegt hij. “In meerdere manieren hoe we die efficiëntie kunnen verbeteren. Een van de technologieën zal ooit de oplossing moeten zijn.”
Een mogelijke oplossing is het verbeteren van de architectuur van computers. In de traditionele computerarchitectuur staan de processor en de communicatie met het geheugen centraal. Aleksander: “Die architectuur, genaamd Von Neumann, is al heel oud. En alles is daarop gebaseerd. Het verslinden van al die data tussen de processor, het geheugen en terug, elke rekenstap neemt heel veel energie in beslag. Dan kan je ook verbeteringen doorvoeren door andere computerarchitectuur te gebruiken dan Von Neumann. Dan heb je dus geen nieuwe fysische principes nodig, maar echt vanuit de schakelingen.”
Wat wij doen is het oplossen van techno-maatschappelijke vraagstukken.
Op dit moment is er nog geen grootschalig, commercieel alternatief voor de traditionele halfgeleider (semiconductor). Aleksander vertelt: “Gestaag komen er wel wat alternatieven met fotonica, met licht … Er zijn al geavanceerde computers die je kunt kopen, waarbij de verbinding tussen de central processing unit en het geheugen niet bestaat uit elektrische ‘lijnen’, maar uit fibers. Dat is efficiënter.”
Techno-maatschappelijke focus
Er zijn dus meerdere ‘kandidaten’ die mogelijk een oplossing kunnen bieden voor het rekenkrachtvraagstuk. Maar als het zover is, zijn we dan wel klaar voor die oplossing? Aleksander: “Wij zien dat vaak pas aan het einde, als er al een startupbedrijf is, dat men dan gaat denken: oh maar wacht eens eventjes jongens, we moeten dit ook kunnen máken. Veel startups lopen dan tegen de muur van producibility aan. Vaak blijkt dan gewoon: daar hebben we onvoldoende over nagedacht. Als we dit wél op gaan schalen, verlies ik al mijn concurrentievoordelen.”
Daarom is het belangrijk om al in een vroeg stadium te kijken naar ‘produceerbaarheid’. Bijvoorbeeld van nieuwe typen microchips. In dat verband werkt het lectoraat NanoPhysics veel samen met de Universiteit Twente (UT) en het MESA+ Institute. “We hebben sterke banden vanuit andere projecten,” vertelt Aleksander. “Ons grootste gebied van bijdrage zit in de kwaliteitssystemen, de meetsystemen, de testsystemen en de digitalisering van het productieproces.” Allemaal projecten waarbij kennis vanuit het NanoLab van de UT nodig is. Op die manier leidt fundamentele wetenschap uiteindelijk tot praktische toepassingen. Aleksander: “Wat wij doen is het oplossen van techno-maatschappelijke vraagstukken.”
Fotografie: Pien van der Woning
Producibility en Technology Readiness Levels (TRL)
Producibility is een speerpunt van het lectoraat NanoPhysics. Dit vertaalt zich in een projectfocus waarbij continu wordt gekeken in welke ‘staat van produceerbaarheid’ een nieuwe ontwikkeling of techniek zich bevindt. Om zo te voorkomen dat technologieën worden bedacht die uiteindelijk (nog) niet door de industrie geproduceerd kunnen worden.
De ‘staat van produceerbaarheid’ wordt getoetst aan de hand van zogenaamde Technology Readiness Levels (TRL), afkomstig uit de ruimtevaartindustrie. De niveaus van TRL stellen technici en wetenschappers in staat om continu zicht te houden op de ‘technologische evolutie’ van een project, ongeacht de (technische) achtergrond van de betrokkenen. Level 1 betekent bijvoorbeeld dat er nog basisprincipes worden onderzocht; in levels 5 en 6 wordt een techniek al daadwerkelijk getest in een relevante setting.
