Hewlett-Packard is niet de eerste naam die je te binnen schiet wanneer het gaat over fundamenteel onderzoek. Dat is niet terecht. Sinds vier jaar heeft het computerbedrijf in Palo Alto, Californië, een ‘basic research lab’ dat onder leiding staat van de chemicus Stanley Williams (48).
Deze Williams is voor HP wat Bill Joy is voor Sun Microsystems en Nathan Myrvold voor Microsoft: een technische bolleboos waarvan men verwacht dat hij vroeg of laat iets zal uitbroeden dat het bedrijf omhoog stuwt in de vaart der volkeren. Uiteraard moet de bedrijfsleiding blind vertrouwen hebben in zo’n figuur. Niemand doorgrondt immers precies de finesses van de zaken waarmee hij of zij zich bezighoudt. In het geval van Williams zijn dat V-vormige organische moleculen of rotaxanen, quantummechanische effecten en minuscule nanobuizen. Zijn doel? Voorkomen dat de verdere miniaturisering van microprocessoren rond 2010 tot stilstand komt. Hoe? Williams wil de lithografische technieken vervangen door chemische reacties en silicium door organische moleculen.
Het werk van Williams bij HP staat in het teken van de Eerste en de Tweede Wet van Moore. De Eerste Wet van Moore – in 1965 geformuleerd door Intel-oprichter Gordon Moore – zegt dat het aantal transistors op een microprocessor iedere achttien maanden verdubbelt, zonder dat die processor duurder wordt. Deze wet dicteert het tempo waarin de informatierevolutie voortdavert: computers worden steeds sneller zonder dat de prijs toeneemt. Gordon Moore formuleerde echter ook een Tweede Wet. Daarin wordt vastgelegd waarom de Eerste Wet op een bepaald moment niet langer geldig is. Deze tweede wet stelt dat de kosten voor het bouwen van chipfabrieken sneller zullen stijgen dan de vraag naar microprocessors. Ergo: het zal op een bepaald moment niet langer rendabel zijn nog snellere microprocessors te maken. Stan Williams verwacht dat het – op basis van de huidige technologie – rond 2010 een slordige 30 miljard dollar gaat kosten om een chipfabriek te bouwen.
Twee muren
Om microprocessors sneller te maken, moeten de transistors en verbindingen op de chips steeds kleiner worden. In de huidige generatie chips hebben de verbindingen, die lithografisch in het silicium tussen de transistors worden ‘geëtst’, een minimale breedte van 0,18 micron.
Volgend jaar zullen Japanse producenten van halfgeleiders geheugenchips gaan maken met verbindingen die 0,13 micron breed zijn. Om het tempo van Moore’s Eerste Wet bij te houden, moet men dan binnen vier jaar chips gaan maken met verbindingen van 0,1 micron. Volgens Paul Packan, een microprocessorspecialist van Intel, is dat bij de huidige stand van de technologie echter onmogelijk. Packan meent dat de chipbakkers rond 2005 tegen twee muren zullen botsten. De eerste is van technische aard: het kan niet kleiner. De tweede is economisch: het wordt te duur om rendabel te zijn.
Stan Williams van HP is iets optimistischer dan Paul Packan. Hij denkt dat het middels lithografische technieken mogelijk zal zijn siliciumchips te maken met verbindingen die niet breder zijn dan 50 nanometer (dat is 0.05 micron). Daarna is het ook volgens hem evenwel ook schluss. Williams zegt in een interview met het tijdschrift Technology Review: ‘Op silicium gebaseerde technologie voor het maken van microprocessors begint te botsen tegen fysieke barrières.’ Een belangrijk probleem is dat bij verdere miniaturisering het aantal elektronen dat een vet (veldeffecttransistor) aan of uit schakelt, zo klein is dat de statische kans dat baldadige elektronen naar willekeur een transistor aan of uit schakelen steeds groter wordt. Een ander probleem is dat het steeds moeilijker wordt om traditionele lithografie nog preciezer te maken.
Williams wet
Williams zoekt zijn oplossing uit het dilemma van de alsmaar krimpende chip via wat hij schertsend ‘De Wet van Williams’ noemt. Deze wet – het high-tech equivalent van het ei van Columbus – zegt dat ieder ontwerpprobleem is op te lossen met een slimmer ontwerp. In dit geval betekent dit dat wanneer het te moeilijk en te duur wordt om steeds gecompliceerdere microprocessoren te maken – die bovendien perfect moeten zijn – dat het dan beter is om niet-gecompliceerde, goedkopere microprocessoren te maken die niet perfect zijn maar wel snel.
Williams stelt voor met behulp van chemische reacties, en zonder lithografie, zeer eenvoudige circuits (een ruitjespatroon) met verbindingen kleiner dan 50 nanometer op microprocessoren aan te brengen waarbij het er niet toe doet dat er foute transistors en foute verbindingen ontstaan. In 1998 heeft Williams reeds in een artikel in Science uit de doeken gedaan hoe het mogelijk is in een eenvoudige zuurkast via een chemische reactie dergelijke circuits te laten neerslaan op chips.
Omleidingen
Wat hebben we aan snelle microprocessoren die vol mankementen zitten? De crux van Williams’ ideeën is dat na het maken van zo’n microprocessor een computer met speciaal voor dat doel ontwikkelde software wordt gebruikt om de circuits op de processor te configureren en te activeren. Wanneer een transistor niet goed werkt, wordt deze gewoon buiten het actieve circuit gesloten. De software zorgt ervoor dat alleen de foutloze delen van de processor worden benut en zorgt voor omleidingen rondom fouten. Er is hier een analogie met de menselijke hersenen waarin ook de inactieve neurale verbindingen afsterven terwijl actieve verbindingen zich steeds verder ontwikkelen.
Komt Hewlett-Packard dus binnenkort met een supersnelle microprocessor vol fouten die toch perfect werkt? Het antwoord is nee. Dat zal nog wel even duren. Vergeet niet dat Williams hoofd is van een fundamenteel onderszoekslaboratorium. "Binnen HP is fundamenteel onderzoek gericht op het oplossen van uitdagende wetenschappelijke problemen. Deze oplossingen zijn niet direct gericht op een specifiek product van HP", aldus Williams. Misschien onderschat hij de toepasbaarheid van zijn ideeën. In het wetenschappelijke tijdschrift Science van juni 1999 beschrijft Williams samen met Jim Heath, een onderzoeker van de University van Californië, hoe hij erin geslaagd is een geheugenchip te maken waarbij iedere schakelaar gevormd wordt door één enkele organische molecuul, een zogenaamde rotaxaan. Deze schakelaars kunnen van ‘uit’ naar ‘aan’ worden geschakeld door ze te oxideren.
Olifantenspoor
Probleem is dat het aluminiumraster op de chip van Williams verbindingen heeft die 11 micron breed zijn. In de wereld van de microprocessoren is dat een olifantenspoor. Williams wil echter deze aluminiumverbindingen vervangen door nanotubes, minuscule buisjes van koolstofatomen die één nanometer breed zijn. Wanneer dat lukt, wordt het volgens Williams mogelijk de rekenkracht van een mainframe te concentreren in een computer die zo groot is als een korrel zand.
