Elektrotechnicus Marcel Pelgrom werkte jarenlang voor het Philips Natlab. In 1989 bedacht hij een formule die bekend werd als de Wet van Pelgrom. Een formule die essentieel zou blijken bij het fabriceren van almaar kleiner wordende microchips. Voor zijn werk ontving Pelgrom onlangs de IEEE Gustav Robert Kirchhoff oeuvreprijs, vernoemd naar de gelijknamige natuurkundige. Een enorme eer, zeker omdat Pelgrom de eerste niet-wetenschapper is die deze prijs ten deel valt. Dinsdag gaf hij college op de plek waar het allemaal begon: het Philips Natlab op de High Tech Campus.
Pelgrom kreeg de IEEE Gustav Robert Kirchhoff Award voor het model dat hij ontwikkelde om de willekeurige variatie te beschrijven die optreedt tussen twee verder identiek veronderstelde chipcomponenten. Met andere woorden: geen component gedraagt zich precies hetzelfde. Alle simulatiesoftware om ic-ontwerpen door te lichten, werkt met Pelgroms model.
Reageerbuisjes, wasmachines, haren en een wip met dikke kinderen erop. Voorafgaand aan zijn lezing grijpt Pelgrom van alles aan om zijn wet duidelijk te maken, in een koffietentje tegenover het Natlab.
Eerst een uitleg over de problemen die ontstaan bij almaar kleiner wordende microchips. “Stel, je wilt weten hoeveel het regent”, begint Pelgrom. “Dan kun je een emmer buiten zetten en meten hoeveel water daarin zit. Maar je kunt ook een reageerbuisje gebruiken.” Het verschil tussen beide meetmethoden laat zich raden: “Het effect van één enkele druppel is bij een reageerbuisje veel groter dan bij een emmer water.”
Die emmer, dat zijn transistors van 30 jaar geleden. Dat reageerbuisje zijn moderne transistors. Die zijn namelijk heel veel kleiner. Er moeten er immers ontzettend veel in bijvoorbeeld een chip voor een smartphone passen. De druppels zijn de atomen. Die veranderen allicht nooit van formaat. Het resultaat is dat het effect van die atomen veel groter wordt naarmate de transistors kleiner worden. “Dat is precies het probleem wat optreedt bij kleiner wordende microchips.”
“In deze eeuw zijn nog geen waarlijk nieuwe technologische innovaties gedaan.”
Wasmachine
Het effect van atomen op transistors van microchips wordt dus steeds groter omdat de chips steeds kleiner worden. Maar hoe groot is een atoom eigenlijk en hoe klein zijn die transistors dan als een paar atomen de boel al kunnen ontregelen?
Pelgrom plukt plots een haar van zijn hoofd en vervolgt: “Stel ik doe mezelf in de wasmachine. En ik was mezelf met veel waspoeder op een extreem hoge temperatuur. Ik begin te krimpen tot ik zo groot ben als mijn haar dik is. Van die hele kleine versie van mezelf zouden we ook weer naar een haar kunnen kijken.”
Dat haartje van mini-Pelgrom is ongeveer een atoom dik. “De meest geavanceerde transistors die gebruikt worden op microchips zijn slechts een paar van die haren dik”, besluit Pelgrom zijn voorbeeld.
Wip
Oké, helder. Atomen zijn ontzettend klein. En de meest geavanceerde transistors op de meest geavanceerde chips zijn van navenant formaat. Het probleem dat optreedt bij die kleiner wordende transistors is dat het effect van atomen steeds groter wordt. Regendruppels in een reageerbuisje in plaats van een emmer. De vraag rijst wat voor effect een paar atomen verschil dan precies heeft op microchips.
Om dat uit te leggen, komt de wip in beeld: “Een wip met twee kinderen erop kan twee posities aannemen. In principe kost het evenveel energie om van de ene naar de andere positie te bewegen. Tenzij er één dik kind op de wip zit. Dan kost bewegen naar de stand met het dikke kind veel meer energie dan terug.”
Zo’n schakeling heet een flipflop. “Het is essentieel dat de flipflop symmetrisch is en geen voorkeurskant heeft. Anders hoeft er maar iets kleins te gebeuren en de flipflop faalt”, gaat Pelgrom verder. Dan werkt bijvoorbeeld de opnameapparatuur van een smartphone niet meer of klinken de opgenomen stemmen vervormd. Bovendien verbruikt een asymmetrische flipflop veel meer energie.
De Wet
Nu de wet van Pelgrom nog. Zijn formule stelt chipontwerpers in staat op voorhand te berekenen hoe betrouwbaar hun schakelingen zijn, aldus Pelgrom. De wet beschrijft de nauwkeurigheid van de transistors ofwel wip ofwel flipflop, in de vorm van een foutmarge. Het effect van een paar atomen verschil wordt voorspeld.
“Het is een uitwisseling”, stelt Pelgrom. “Hoe kleiner de transistor, des te groter de kans dat er iets fout gaat.” Maar minuscule chips en kleine transistors zijn nodig om moderne apparaten te maken. “Daar moeten chipmakers dan maatregelen voor nemen door foutdetectiemechanismen in te bouwen.” Maar ja, daarvan gaat de prijs en het energieverbruik weer omhoog.
Het constante afwegen van kosten, baten, betrouwbaarheid en formaat van microchips is dus mede mogelijk door de wet van Pelgrom. Een wet die hij ontdekte dankzij Philips. “Zonder het Natlab had ik geen schijn van kans gehad.”
In de publicatie van Pelgrom uit 1989 zit namelijk ontzettend veel proefondervindelijk bewijs. “Ik kon wel twintig verschillende proeven doen met productietransistors. Een universiteit kan misschien één proefje doen. Dat is het verschil.”
“Op het Natlab bestond de smartphone in 1989 al. In de hoofden van de onderzoekers.”
Een luxe van vervlogen tijden, volgens Pelgrom. “Ik vind het schrijnend te zien dat de jonge generatie geen omgeving zoals het Natlab heeft. Waar fundamenteel onderzoek gedaan kan worden. Onderzoek dat ook fout mag gaan.”
De houding van mensen is veranderd, volgens de prijswinnaar. Ze zitten opgesloten in denk- en beleidskaders. “In het Natlab werden we juist uit de kaders geschopt. Binnen de kaders denken kan iedereen. We hadden een ongekende vrijheid om dingen uit te zoeken.”
Pelgrom besluit zijn verhaal dan ook met een boude stelling: “Ik ben ervan overtuigd dat in deze eeuw nog geen waarlijk nieuwe technologische innovaties zijn gedaan.” Uitvindingen van nu zijn slechts perfecties van ideeën die de vorige eeuw al bestonden, aldus Pelgrom. “Alle basisconcepten waren er al lang. Op het Natlab bestond de smartphone in 1989 al. In de hoofden van de onderzoekers.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
