Marcel_Pelgrom

Marcel Pelgrom

2 January 2016

Eerder deze maand was in Washington de International Electron Devices Meeting (IEDM). Op deze conferentie wordt het nieuwste werk gepresenteerd op gebied van halfgeleidercomponenten. Elk jaar gonst het in de voorafgaande weken van de geruchten. Deze keer had dat zeker te maken met de mysterieuze titel van een Taiwanese publicatie over een geheugeneffect in een finfet en de aangekondigde niet-vluchtige geheugens van Intel en Micron, genaamd Xpoint (cross-point).

De standaardtechniek om een bit niet-vluchtig op te slaan, gebruikt een geïsoleerde elektrode die met elektronen kan worden geladen. Voor tien jaar betrouwbare opslag moet de isolatielaag rondom de elektrode zeven tot negen nanometer dik zijn. Die vrij fundamentele eis beperkt de mogelijkheid tot miniaturisering en daar heeft Intel blijkbaar wat op gevonden. Maar eigenlijk hoopt iedereen op iets anders: een schakelelement dat de mos-transistor kan vervangen!

De transistor is 68 jaar geleden uitgevonden en de allereerste voorstellen voor een veldeffecttransistor zijn negentig jaar geleden door Lilienfeld gedaan. De transistor is een zeer vruchtbaar idee gebleken, maar kent ook zijn beperkingen. Om stroom door een halfgeleiderschakelaar te sturen, moeten elektronen met voldoende thermische energie over een potentiaalbarrière heen. Dan komen ze in een elektrisch veld en loopt er stroom.

Om de stroom in een mos of bipolaire transistor te verlagen, moet de potentiaalbarrière hoger worden. Voor elke factor tien stroom minder, is ongeveer zeventig millivolt extra spanning nodig. In grote schakelingen moet de lekstroom per transistor zo ver omlaag dat ongeveer één volt nodig is. Met minder spanning loopt er meer stroom en vice versa: het kost altijd vermogen. Bovendien vereist die één volt spanningsverschil een minimumisolatiedikte, net als bij niet-vluchtige geheugens.

Ieder jaar ziet weer een aantal nieuwe ideeën het licht om met een kleinere spanningszwaai meer stroomverandering teweeg te brengen. Zo zijn transistoren voorgesteld die gebruikmaken van een doorslagmechanisme door een isolator. Dat lukt voorlopig alleen met lage stromen. Ook microrelais zijn geprobeerd. Niet alleen de wet van Moore is aan het einde van de rit, ook het fundamentele concept van schakelen met halfgeleiders, zoals opgesteld in 1947, is maximaal benut.

Voor een echte stap vooruit in rekenkracht moeten we omschakelen: weg van de halfgeleiders om zo een nieuw schakelmechanisme uit te vinden. De schakelaar begon ooit als een beweegbare metalen brug tussen twee of meer contacten. Daarna kwam de elektronenbuis en toen de transistor. Iedere keer was de nieuwe technologie fundamenteel verschillend van de vorige. Christensens concept van disruptieve technologieën zal ook hier van toepassing blijken.

Maar daar zit een groot probleem. Industrie en academia blijven behaaglijk hangen in de tweedimensionale halfgeleiders. Er zijn net weer wat prachtige laboratoria aan universiteiten geopend en er staan grote en heel dure fabrieken te wachten op nieuwe producten. Die bedrijven willen niets liever dan een betere halfgeleidertransistor om de investeringen terug te verdienen. Daar leven vaste publicatieleveranciers op de IEDM, zoals Imec, Leti en Fraunhofer, weer van.

Gaan we dus nog jaren dezelfde rondjes draaien en de weg naar de toekomst missen? We moeten op zoek naar andere schakelopties, om onze systemen in complexiteit voorbij het huidige niveau te brengen. Als de beperking vervalt om alles in twee dimensies te proppen, dan kunnen de elementen in drie dimensies worden verbonden. Die winst mag wat kosten: de basiselementen mogen best wat groter zijn. En dan openen zich opeens heel wat onbetreden paden: in magnetische materialen, fotonica, complexe moleculen die meerdere oriëntaties hebben, spintronica en misschien toch weer mechanisch. Met de huidige vooruitgang in 3d printen is een micro-Babbage-machine mogelijk.

En wat kan er nog meer? Alessandro Volta liet met een batterij een kikkerpoot een herhaalbare bewerking uitvoeren. Cellen zijn ook een soort logische poort. Als het lukt een geschikte biologische rekencel te isoleren en gecontroleerd te kweken, dan staat niets een biologische computer in de weg. Onze gekste ingenieurs moeten gaan luisteren bij een biochemische conferentie. En de IEDM volgende keer maar overslaan.