De Evolutie van het Aantal Transistors op een Chip

De rekenkracht van computers wordt alsmaar groter en het formaat steeds kleiner.

Om dit te begrijpen is het goed om te weten hoe een computer in grote lijnen werkt en voor welke uitdagingen we hebben gestaan om te komen tot de eerste en de hedendaagse computers.

Hoe snel en klein kunnen computers eigenlijk worden?

In dit artikel nemen we je mee in de fascinerende wereld van de nanometer.

Schakelingen vormen de basis voor computers.

De allereerste rekenmachine die als basis dient voor alle computers die hierna zijn gemaakt, stamt uit de tweede wereldoorlog.

Zoals bij bijna elke uitvinding, is het ook bij de computer niet helemaal duidelijk wie de eerste heeft bedacht.

Sommige historici beginnen de computergeschiedenis bij de ‘Mark 1’ van de Amerikaan Howard Aiken, uit 1944.

Anderen vinden dat de voltooiing van ‘Z3’ van de Duitser Ernst Otto Zuse, drie jaar eerder, het begin was van het computertijdperk.

De film ‘The Imitation Game’ geeft een goed beeld van de technische, maar ook morele uitdaging.

De trailer kun je prima in de bovenbouw van de basisschool laten zien.

De Duitse legereenheden verstuurden berichten aan elkaar met belangrijke informatie.

Deze berichten waren versleuteld (gecodeerd) met de Enigma-machine.

Het lukte de Britten om de berichten te onderscheppen maar niet om te ontcijferen: niet met de hand en al helemaal niet uit het hoofd.

Wiskundige Alan Turing is aangenomen bij de geheime dienst om de Enigma-code te kraken.

Turing ontwikkelde een mega-rekenmachine die zo groot was als een klaslokaal.

De schakelingen (transistors) hadden het formaat van een volwassen hand.

In de tientallen jaren daarna is het gelukt om een transistor zo klein als een erwt te maken.

Dat is natuurlijk nog niet klein genoeg voor een zakrekenmachine.

Rond 1960 is er een manier gevonden om elektronische componenten (onderdelen) op een printplaat (een stukje groen plastic) te plakken.

Zo’n geïntegreerde schakeling noem je een ‘chip’ of ‘microchip’.

De term micro zegt al iets over het formaat.

Inmiddels zijn we zo ver dat er miljarden transistors op een chip passen.

De chip zelf is ongeveer zo groot als een postzegel.

Een beetje moderne smartphone anno 2019 heeft een of zelfs meerdere chips voor elke computerfunctie (centrale verwerking, grafische verwerking, werkgeheugen en opslag).

Alles bij elkaar kom je al snel aan 400 miljard transistors.

In één smartphone!

Om een idee te krijgen hoe klein de hedendaagse schakelingen zijn, moeten we een beetje rekenen.

Net als het rijtje ‘m-dm-cm-mm’ in de klas gaan we een rijtje maken van millimeter, micrometer en nanometer.

Je ziet dat bij elke stap het getal 1000 keer zo klein wordt.

Een schakeling op een microchip is slechts 5 nanometer…Op een stukje chip van één millimeter passen dus 200.000 schakelingen.

Voor degenen met een beetje scheikundige kennis: we zitten nu op het allerkleinste niveau; het niveau waarop we moleculen en atomen kunnen ‘zien’.

Nu weet je in grote lijnen welke techniek er achter de hedendaagse computers zit.

In de nabije toekomst zal de kwantumcomputer zijn intrede doen in de gewone wereld.

Kwantumtechnologie maakt gebruik van het allerkleinste deeltje dat onderdeel is van alle elementen: de elektron.

Hiermee kunnen we nóg kleinere schakelingen en tegelijkertijd nog krachtigere processoren maken.

Elektronen zwermen rond de kern van een molecuul als een stel op hol geslagen planeten in een zonnestelsel.

Door de natuurkundige eigenschappen van elektronen - ze zweven in een wolk binnen de molecuul - kun je niet meer spreken over aan en uit (1 en 0), maar over één en nul tegelijk.

Ken je de vergelijking nog van de lichtschakelaar met een transistor (zie Hoe werkt elektronica in jouw smartphone)?

De lichtschakelaar kan aan en uit.

In het geval van de kwantumschakeling vervangen we de lichtknop met een dimmer.

Als we aan de dimmer draaien geeft de lamp een beetje meer of een beetje minder licht.

Zo kun je veel preciezer instellen hoeveel licht je wilt.

Er worden als het ware twee schakelingen in een keer in gang gezet.

Zo’n kwantumschakeling heet een ‘quantum bit’ of ‘qubit’.

Een chip met 8 qubit kan dus 256 schakelingen tegelijk maken.

Dit zorgt ervoor dat er veel snellere berekeningen gedaan kunnen worden.

Dit klinkt erg theoretisch en als toekomstmuziek.

Zien we dit al terug in de praktijk?

Ja!

Een decennia geleden (2010) is de eerste kwantumcomputer geleverd aan een Amerikaans militair bedrijf (Lockheed Martin) met maar liefst 128 qubit.

Dat staat gelijk aan 34 x 10^35.

De technologische evolutie van eenvoudige elektronica naar computers naar kwantumcomputers is ronduit fascinerend!

En, ik geef toe, een tikkeltje ongrijpbaar.

De Wet van Moore

In 1965 voorspelde Gordon Moore in het Amerikaanse tijdschrift ‘Electronics’ dat het aantal transistors in een chip elke twaalf maanden zou verdubbelen.

Hij kon toen nog niet voorzien dat deze voorspelling uiteindelijk zou uitgroeien tot een ‘wet’.

Een wet die enorme gevolgen heeft gehad voor onze wereld.

Het is dankzij de ‘Wet van Moore’ dat we nu niet alleen de pc’s en andere bekende computers hebben, maar ook smartphones, tablets en de nieuwe wearables.

En die ontwikkeling gaat voorlopig nog wel even door.

Aanvankelijk ging Moore - die later samen met Robert Noyce het bedrijf Intel zou oprichten - er van uit dat het aantal transistors op een chip elk jaar zou verdubbelen.

Dat stelde hij enkele jaren later bij naar 24 maanden, een tempo dat Intel tot op heden weet te volgen.

Het feit dat we anno 2015 letterlijk overal computers tegenkomen, in welke vorm of omvang dan ook, is voor een belangrijk deel te danken aan het feit dat computerchips volgens de Wet van Moore iedere twee jaar heel veel meer kunnen tegen ongeveer dezelfde prijs.

Als de computerindustrie deze ontwikkeling de afgelopen 50 jaar niet had gevolgd, zouden we nu misschien geen zaken zoals datacenters, cloud computing en het internet hebben.

En als het tempo van de Wet van Moore slechts half zo hoog was (verdubbeling iedere vier jaar), dan zouden we nu computers gebruiken met het formaat en de verwerkingscapaciteit van begin jaren ’90.

Dan hebben we het dus over de i386/i486…

Regelmatig komt de vraag naar voren hoe lang de Wet van Moore nog zal blijven gelden.

De huidige chiptechnologie, op basis van silicium, lijkt tegen bepaalde fysieke grenzen aan te lopen, waardoor een verdere verkleining op zeker moment niet praktisch of niet mogelijk zal zijn.

“Op basis van de ervaringen die Intel de afgelopen vijf decennia heeft opgedaan, zullen verdere verkleiningsstappen ook nog haalbaar zijn.”

Desalniettemin zal er een moment komen dat er andere technologieën nodig zijn om de prestaties van chips en computers te blijven verbeteren.

Dat heeft Intel eerder al gedaan met de toepassing van nieuwe materialen in chips en de ontwikkeling van 3D-transistors.

“Maar natuurlijk zijn we ook aan het kijken naar andere mogelijkheden, van optische chiptechnologie tot kwantum computing”, vervolgt Bliemer.

“Maar de grootste uitdaging is misschien niet de technologie maar het kostenaspect.

Het moet uiteindelijk commercieel wel haalbaar en zinvol zijn.”

De Wet van Moore in het Datacenter

De eisen die aan chips worden gesteld voor wat betreft prestaties en energieverbruik, nemen momenteel sterk toe door de opkomst van het Internet of Things (IoT).

Om al die talloze apparaten en sensors met het Internet en onderling met elkaar te verbinden tot het IoT, zijn laaggeprijsde maar krachtige computerchips nodig die zo min mogelijk energie verbruiken.

Opnieuw zorgt het innovatietempo van de Wet van Moore er voor dat in deze behoefte wordt voorzien, met nieuwe oplossingen zoals de compacte Intel Edison microcontroller.

De enorme hoeveelheden data die al die met het Internet verbonden apparaten en sensors opleveren, moeten uiteindelijk natuurlijk opgeslagen en geanalyseerd worden om er zinvolle, bruikbare informatie uit te genereren.

De voor deze big data analytics benodigde processorcapaciteit in datacenters zal de komende jaren sterk toenemen, waarbij echter het energieverbruik niet mag stijgen en bij voorkeur zelfs zou moeten dalen.

Ook hier kan de industrie dankzij de Wet van Moore in voorzien, met steeds krachtigere en specifiek voor zware taken ontwikkelde processors en servers.

Met name op dit gebied spelen zaken zoals energieverbruik en de benodigde koeling een zeer cruciale rol.

En opnieuw zorgt de chipontwikkeling volgens de Wet van Moore voor soelaas, doordat de steeds krachtigere servers ondanks de hogere prestaties niet meer koeling vereisen.

De onlangs geïntroduceerde Intel Xeon processor E7v3 is daar het meest recente voorbeeld van.

Meer Dan Alleen Technologie

De evolutie van computerchips en het feit dat computers hierdoor steeds meer mogelijkheden krijgen, betekent echter meer dan alleen technische voortuitgang.

Alle facetten van onze maatschappij worden hierdoor beïnvloed.

Op economisch gebied betekent het bijvoorbeeld dat ondernemingen steeds weer nieuwe en betere diensten en producten kunnen aanbieden tegen lagere kosten.

Ieder datacenter maakt gebruik van technologie die is gebaseerd op de Wet van Moore.

De kosten van de reken-, netwerk- en opslagsystemen die samen een datacenter maken, zijn de afgelopen decennia sterk gedaald, terwijl tegelijkertijd de capaciteit enorm is toegenomen.

Zeker voor een kennis- en innovatieland als Nederland, is dit een niet te onderschatten gevolg van de Wet van Moore.

En natuurlijk is onze wereld ook in bredere zin de afgelopen vijf decennia getransformeerd, dankzij de continue technologische innovatie.

Computertechnologie die ooit alleen voorbehouden was aan de grootste bedrijven, overheden en de wetenschappelijke wereld, is nu iets dat we vrijwel allemaal dagelijks gebruiken.

De PC, internet, tablets, smartphones, sociale media, cloudtechnologie, etc., dit alles is alleen maar mogelijk dankzij de voortdurende verkleining van de transistor.

En dat brengt ons bij de maatschappelijke impact.

Omdat computers zo goedkoop zijn en daardoor universeel gebruikt kunnen worden, hebben ze er voor gezorgd dat we op totaal andere manieren zijn gaan werken en communiceren.

We kunnen makkelijker en efficiënter dan ooit allerlei taken uitvoeren.

In onze samenleving is technologie niet alleen nuttig en makkelijk, maar echt onmisbaar.

De zorg, betalingsverkeer, communicatie, transport en logistiek, onderwijs, wetenschap, in alles is computertechnologie de essentiële spil.

Nog Altijd Actueel

De ontwikkeling van computerchips blijft doorgaan en daarmee de ontwikkeling van nieuwe mogelijkheden om die chips in te zetten.

Van het Internet of Things, krachtigere datacenters en real-time big data analytics tot smart cities, nieuwe vormen van interactie tussen mens en computer, wearables en technologie in kleding, de impact van computertechnologie zal toenemen.

Vijftig jaar na de publicatie door Gordon Moore is zijn ‘wet’ nog altijd actueel en vormt het de drijvende kracht voor verdere innovatie.

Paradoxaal genoeg zal daarbij echter juist de rol van de mens toenemen.

Enerzijds als creatieve kracht om nieuwe toepassingen en inzetmogelijkheden te bedenken, maar anderzijds om te bepalen wat we nu eigenlijk wel en niet zouden moeten doen met al die data en inzichten.

Een ding is zeker: de volgende vijftig jaar worden interessanter dan ooit.

Vanaf de vijftiger jaren van de vorige eeuw tot nu heeft de consumentenelektronica een enorm ontwikkeling doorgemaakt.

De producten hebben niet alleen een uitgebreidere functionaliteit gekregen maar zijn ook kwalitatief sterk verbeterd en betrouwbaarder geworden.

Door verbeterde technieken en materialen is het nu ook mogelijk om meer kunstzinnige vormen van de producten te maken.

De ontwikkeling van de microchip hebben hier in een grote rol in gespeeld.

Vrijwel alle moderne technologie is gebaseerd op deze microchip.

Van koffiezetapparaat tot communicatiesatelliet, van televisie tot computer, er is vrijwel geen enkel apparaat dat kan functioneren zonder microchip.

Dit betekent dat de miniaturisering van de micro-elektronica bij uitstek een sleuteltechnologie is bij de verdere ontwikkeling van de consumenten elektronica.

De Eerste Computer

De computerrevolutie heeft onze wereld onherkenbaar veranderd.

Maar hoe begon het allemaal?

En, misschien nog belangrijker, hoe duur was die eerste computer die de basis legde voor de technologie die we vandaag de dag als vanzelfsprekend beschouwen?

De vraag "wat was de eerste computer?" is complexer dan het lijkt.

De term "computer" heeft door de jaren heen verschillende betekenissen gehad.

Aanvankelijk verwees het naar mensen die berekeningen uitvoerden.

Later evolueerde het naar mechanische rekenmachines en uiteindelijk naar elektronische apparaten.

IBM introduceerde op 12 augustus 1981 in New York de IBM PC 5150, de eerste personal computer voor zowel thuis als zakelijk gebruik.

Voor die tijd waren computers voornamelijk grote, dure mainframes, exclusief toegankelijk voor universiteiten, overheidsinstellingen en grote bedrijven.

De IBM PC 5150 was revolutionair voor zijn tijd en werd aangeboden voor een prijs van rond de $1.565.

Omgerekend naar de huidige waarde (2023), rekening houdend met inflatie, komt dit neer op ongeveer $5.000 - $6.000.

Deze vroege computers waren enorm, vereisten gespecialiseerde klimaatbeheersing en werden bediend door teams van experts.

De introductie van de IBM PC 5150 had een enorme impact op de computerindustrie.

Het open architectuurontwerp liet andere fabrikanten toe om compatibele hardware en software te ontwikkelen, wat leidde tot een explosie van innovatie en concurrentie.

Sinds de introductie van de IBM PC zijn de computerprijzen drastisch gedaald, terwijl de prestaties exponentieel zijn toegenomen.

De Wet van Moore, die stelt dat het aantal transistors op een chip elke twee jaar verdubbelt, heeft deze ontwikkeling aangedreven.

De IBM PC 5150 markeerde een keerpunt in de geschiedenis van de computer.

Door een relatief betaalbare personal computer aan te bieden, opende IBM de deur naar een nieuw tijdperk van technologische vooruitgang.

Computerchips in Ons Dagelijks Leven

In een wereld waarin technologie een steeds grotere rol speelt, zijn computerchips, ook wel bekend als halfgeleiders, onmisbaar geworden.

Ze vormen de kern van bijna elke elektronische technologie die we vandaag de dag gebruiken, van smartphones tot auto’s, medische apparatuur en zelfs huishoudelijke apparaten.

Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, groeit ook de afhankelijkheid van computerchips, waardoor ze een cruciale pijler zijn geworden voor de economie en het dagelijks leven.

Computerchips zijn de afgelopen decennia in snel tempo geëvolueerd.

In de jaren 60 van de vorige eeuw werd de eerste geïntegreerde schakeling ontwikkeld, wat de weg vrijmaakte voor de moderne computerchip.

Sindsdien is de technologie exponentieel gegroeid, met chips die steeds kleiner, krachtiger en energiezuiniger zijn geworden.

Hoewel de wet van Moore decennia lang nauwkeurig is gebleken, beginnen er nu limieten te ontstaan aan de fysieke miniaturisering van chips.

Het belang van computerchips in ons dagelijks leven kan nauwelijks worden overschat.

Moderne smartphones zijn uitgerust met krachtige processors die miljarden instructies per seconde kunnen uitvoeren.

Deze chips maken het mogelijk om video’s in hoge resolutie te streamen, complexe apps te draaien, en om kunstmatige intelligentie in de palm van onze hand te hebben.

Maar chips gaan veel verder dan smartphones.

In auto’s worden ze gebruikt voor alles, van motorbesturing tot geavanceerde veiligheids- en infotainmentsystemen.

In de gezondheidszorg zijn computerchips essentieel voor het goed functioneren van medische apparatuur zoals MRI-scanners, pacemakers en chirurgische robots.

Zelfs in onze huizen zijn computerchips overal aanwezig.

Slimme thermostaten, beveiligingssystemen, en zelfs huishoudelijke apparaten zoals koelkasten en wasmachines gebruiken chips om ons leven eenvoudiger en efficiënter te maken.

Economische Impact en Uitdagingen

De economische impact van computerchips is enorm.

Ze zijn een essentieel onderdeel van de moderne industrieën zoals elektronica, telecom, de auto-industrie en gezondheidszorg.

De recente wereldwijde chiptekorten, die veroorzaakt werden door verstoringen in de toeleveringsketens tijdens de COVID-19-pandemie, hebben de kwetsbaarheid van deze industrie blootgelegd.

Autofabrikanten moesten productie vertragen of zelfs stilleggen vanwege het gebrek aan chips, wat miljarden dollars aan verloren inkomsten betekende.

In de Verenigde Staten is de CHIPS and Science Act van 2022 geïntroduceerd, waarmee miljarden dollars zijn vrijgemaakt voor de binnenlandse productie van computerchips.

Ook in Europa zijn er vergelijkbare initiatieven, zoals de European Chips Act, die gericht is op het vergroten van de zelfvoorziening in chipproductie.

Ondanks de vooruitgang blijft de chipindustrie voor aanzienlijke uitdagingen staan.

Een van de grootste uitdagingen is de fysieke limiet van miniaturisering.

Naarmate chips kleiner worden, wordt het moeilijker om transistors te produceren zonder dat deze oververhit raken of energie lekken.

Daarnaast is er een groeiende bezorgdheid over de duurzaamheid van de chipproductie.

De fabricage van chips vereist grote hoeveelheden energie en water, en het gebruik van zeldzame materialen zoals silicium en kobalt roept vragen op over de beschikbaarheid en milieu-impact op lange termijn.

Computerchips zijn niet alleen de bouwstenen van de moderne technologie, maar ook van onze samenleving.

Hun invloed is overal om ons heen te zien, van de apparaten die we dagelijks gebruiken tot de industrieën die onze economie aandrijven.

De komende jaren zullen cruciaal zijn voor de toekomst van de chipindustrie.

Innovatie zal de sleutel zijn om de limieten van miniaturisatie te doorbreken en om de productie duurzamer te maken.

Afgelopen donderdag (24 maart 2011) presenteerde Intel voor de Nederlandse markt haar nieuwe tweede generatie processoren Intel Core.

Het zou geen tweede generatie zijn als de specificaties in snelheid en (lager) energieverbruik niet opmerkelijk beter zijn.

Over de functionaliteit kom ik nog te spreken.

Intel heeft aan de nieuwe chip vijf jaar gewerkt met 200 man op twee locaties.

De wet van More over het verdubbelen van de capaciteit van chip in achttien maanden is hier ook weer van toepassing en dus vraag je je af, als je dat kleine platte vierkantje doosje in je hand houdt, hoe dat technisch nu allemaal (foutloos?) kan.

Want er zitten bijna 1 miljard transistoren op dat chipje dat volgens het nieuwe 32 nanometer chipproces is geproduceerd.

Intel zelf heeft over de prestaties een paar leuke wetenswaardigheden gepubliceerd die ik jullie niet wil onthouden.

Er zitten bijna een miljard transistors op de Intel Core processor.

Een auto bestaat nu uit ongeveer 30.000 onderdelen.

Met dezelfde huidige gemiddelde productiesnelheid zou men over de productie van één auto die bestaat uit een miljard onderdelen 114 jaar doen om te assembleren.

Met het efficiënte energiegebruik van de nieuwe generatie chips zou het bakken van een pizza gedurende 45 minuten op 180 graden een vergelijkbaar stroomverbuik hebben als wanneer 67 laptops 50 uur draaien.

Vergeleken met Intels eerste microprocessor (1971) is deze tweede generatie Core Intel chips ruim 4.000 keer zo snel, terwijl iedere transistor ongeveer 4.000 keer minder stroom verbruikt.

De prijs van de transistor is met factor 100.000 afgenomen.

Als een processor een land zou zijn en het aantal transistors zou staan voor de bevolking van dat land, dan zou de nieuwe Intel Core processor het op twee na grootste land zijn.

Alleen China en India hebben meer inwoners dan er transistoren zitten op die chip.

De tweede generatie Intel Core processor bevat 540 miljoen meer transistors dan het totale aantal geregistreerde auto’s in de Europese Unie, de Verenigde Staten en Azië bij elkaar.

Stel dat in ieder huishouden gemiddeld 30 lichtschakelaars zitten, dan zou de nieuwe Intel chip alle 3,57 miljard lichtschakelaars in Amerikaanse huizen in slechts één nanoseconde kunnen aanzetten.

Wat we ons wel moeten realiseren, bedacht ik mij, is dat een chip met 1 miljard transistoren zo complex is dat geen enkele menselijk wezen in staat moet worden geacht te doorgronden hoe de chip in detail werkt en hoe zijn gedetailleerde architectuur is.

Zo’n systeem kunnen we nu dus niet ontwerpen zonder hulp van computers die zelf - per definitie - tenminste één generatie achterlopen bij het ontwerp dat ze helpen maken.

Kortom: computers ontwerpen tot op grote hoogte hun eigen volgende generatie.

Lijkt verdacht veel op de door Darwin beschreven evolutie-theorie in de biologie.

Het zal misschien veel mensen deugd doen dat wij voorlopig die computers nog zelf kunnen aan- en uitzetten!

Maar ’t zal toch nog even duren.

labels:

Zie ook:

• Passata op Pizza: Hoeveel Gebruik Je Voor de Beste Smaak?
• Linzen koken: Hoeveel water heb je nodig voor de perfecte textuur?
• Spliterwten per Liter Soep: De Perfecte Verhouding
• Ontdek Het Ultieme Italiaanse Kip in Tomatensaus Recept – Snel, Lekker en Simpel!
• Ontdek de Ultieme Gids voor Biologisch Eten: Gezond, Duurzaam en Lekker!