Paul van Gerven
3 November 2009

De geschiedenis herhaalt zich soms achterstevoren. Toen de Nobelprijswinnaars van dit jaar de CCD bedachten, wilden ze eigenlijk een nieuw geheugen ontwikkelen. Decennia later gebruikt Edoardo Charbon van de TU Delft een geheugenchip als ’Ramera‘.

Eind jaren zestig stond de financiering van de halfgeleiderafdeling bij Bell Laboratories onder druk. De baas van de elektronicadivisie had zijn zinnen gezet op magnetisch bubbelgeheugen en wilde de ontwikkeling daarvan versnellen. Hij was daarom van plan geld bij de halfgeleiders weg te halen en dat bij het budget te voegen van de afdeling die met het bubbelgeheugen bezig was. Alleen als de halfgeleiderjongens met een concurrerend alternatief op de proppen zouden komen, was hun superieur bereid van zijn plannen af te zien. Het ontwerp van de charge-coupled device (CCD) stond binnen een uur op het schoolbord.

Niet gek, een uurtje werk voor een Nobelprijs. Willard ’Bill‘ Boyle en George Smith konden natuurlijk niet bevroeden dat hun ontmoeting op 17 oktober 1969 hun in 2009 de hoogste wetenschappelijke eer zou opleveren, maar ze voorzagen ook niet in welke vorm hun vinding de wereld zou veroveren. CCD staat tegenwoordig tenslotte synoniem voor beeldsensor, niet voor een of ander geheugentype. Het bubbelgeheugen stond in de jaren zeventig vooraan in de rij om tape- en diskgeheugens op te volgen, maar commercieel is het nooit van de grond gekomen.

Bubbelgeheugen ontleent zijn naam aan de magnetische ’bellen‘ die ontstaan wanneer sommige materialen aan een magneetveld worden blootgesteld – geestelijk vader Andrew Bobeck van Bell Labs gebruikte orthoferriet in zijn pionierstudies. In de magnetisatierichting van deze eilandjes kan binair informatie worden opgeslagen. Omdat ze als het ware ’drijven‘, kunnen ze zich in een rechte lijn door een materiaal bewegen. Die eigenschap gebruikte Bobeck om informatie uit te lezen: de bubbels kwam een voor een langs het leesstation.

Spatial_Oversamplingjpg
Het menselijk oog ontleent grijswaardes uit de collectieve bijdrages van zwart-witpixels. Van een afstand lijkt deze afbeelding verschillende grijswaardes te hebben, maar hij bestaat toch echt alleen maar uit zwarte en witte beeldpunten.

De CCD kent een vergelijkbaar principe, maar dan met elektrische bubbels. Het hart is een Mos-condensator van elektrondeficiënt silicium, een geoxideerd oppervlak en daarop metalen elektrodes. Door een spanningsverschil aan te leggen over twee naburige condensatoren, kan tussen het silicium en het oxide geaccumuleerde lading worden doorgegeven – een beetje zoals emmertjes water in elkaar worden leeggegoten

 advertorial 

8-bit Microcontrollers Still Anchor the Majority of Embedded Designs Today

They are tiny, but vitally important. The market for 8-bit microcontrollers continues to grow strongly as a key part of the drive to digitalisation, highlighted by the current chip shortages. Read more about Microchip’s 8-bit devices.

Voor een CCD-geheugen was het de bedoeling dat de lading zou worden geïnjecteerd. Boyle en Smith realiseerden zich van meet af aan dat ook licht de condensatoren zou kunnen vullen met elektronen. Dankzij het foto-elektrisch effect bouwt een CCD-pixel lading op evenredig aan het aantal fotonen, en dus de lichtintensiteit. Een verzameling van zulke pixels is daarmee een analoge representatie van een beeld. Het uitlezen van deze beeldpunten gebeurt nog altijd door pixels per rij hun lading door te laten geven tot ze op een ’uitleesregel‘ zijn beland. Daarna wordt het analoge signaal geconverteerd naar digitaal.

Grijswaardes

Het foto-elektrisch effect zorgt er net zo goed voor dat andere geheugentypes gevoelig zijn voor licht. Al sinds de jaren zeventig zijn niet alleen onderzoekers ermee bezig, maar ook hobbyisten. Op internet zijn talloze voorbeelden te vinden van primitieve beeldsensoren op basis van commerciële geheugenproducten. Zelfs robotogen zijn ermee gemaakt.

Toch zag hoogleraar VLSI-ontwerp Edoardo Charbon van de TU Delft nog kans om iets nieuws te doen. De opvolger van Patrick Dewilde en ex-collega‘s van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne construeerden in standaard CMos beeldsensoren waarin de pixels veel kleiner zijn dan de golflengte van licht. Normaal geeft dat problemen met de diffractie

Dat is handig, want in principe kan een geheugencel slechts twee waardes aannemen, afhankelijk van of er voldoende of juist te weinig licht op is gevallen om elektronen los te peuteren. Dat levert dus zwart-witfoto‘s op. Omdat de cellen zo klein zijn, is het echter geen probleem om er meerdere te gebruiken voor één pixel. Spatial oversampling heet dat – het menselijk oog doet het ook (zie illustratie). Charbons algoritme gebruikt overigens niet een vaste matrix met cellen voor een pixel; het werkt op continue wijze.

Een gigapixelcamera zit er voorlopig nog niet in, maar het principe heeft zo zijn merites. De onvermijdbare AD-conversie in CCD-beeldsensoren is niet perfect, een euvel waar ook de in opkomst zijnde CMos-beeldsensoren aan lijden. De grijswaardes die uit de Gigavision-’Ramera‘ rollen, zijn een stuk nauwkeuriger. Vooral schaduwen of juist heel heldere stukken komen er beter uit. Ook kan een geheugensensor zonder de uitgebreide perifere circuits die CCD- en CMos-beeldsensoren nodig hebben. Nadeel van de piepkleine pixels is weer dat ze heel weinig fotonen tegenkomen. Dat zorgt voor relatief veel ruis.

Werk aan de winkel dus. Charbon en collega‘s willen begin volgend jaar een grotere, werkende versie van de Gigavision gereed hebben.