1 miljoen gigaherz; sneller gaat een microchip niet

De maximumsnelheid van signaaloverdracht in microchips is ongeveer één petahertz (één miljoen gigahertz), hetgeen ongeveer 100.000 maal sneller is dan de huidige transistors. Dat is de bevinding die natuurkundigen van de Ludwig Maximilian Universiteit, het Max Planck Instituut voor Quantum Optica en de Technische Universiteiten van Wenen en Graz onlangs publiceerden in het wetenschappelijke tijdschrift ‘Nature Communications’. Of computerchips met deze maximale capaciteit ooit werkelijk kunnen worden geproduceerd, is echter de vraag, aldus de Technische Universiteit van Graz in een persbericht.

Micro-elektronica volgt twee benaderingen om computers sneller te maken: Enerzijds wordt gewerkt aan het steeds kleiner maken van de componenten, zodat de datatransmissie (signaalpad van A naar B) letterlijk “niet zo lang meer duurt”. De fysische grens van deze miniaturisatie is de grootte van een atoom. Fysiek kan een circuit niet kleiner zijn. De tweede mogelijkheid voor snellere datatransmissie is het versnellen van de schakelsignalen van transistoren op zich. Dit zijn de onderdelen in microchips die stroom toelaten of blokkeren. Dit is waar het onderzoek van de Duits-Oostenrijkse fysicagroep om de hoek kwam kijken.

Snelheids-‘boost’

Snel betekent in dit geval ‘hoogfrequent’, legt Martin Schultze, hoofdauteur en hoofd van het Instituut voor Experimentele Fysica van de TU Graz, uit. “Hoe sneller je wilt gaan, hoe hoger de frequentie van het elektromagnetische signaal moet zijn – en op een gegeven moment komen we dus in het bereik van de lichtfrequentie die ook als elektromagnetisch signaal kan worden beschouwd of gebruikt.”

Dit gebeurt bijvoorbeeld in de opto-elektronica, waar licht wordt gebruikt om de elektronen in de halfgeleider te exciteren van de valentieband (het gebied waar de elektronen normaal verblijven) naar de geleidingsband, zodat deze van de geïsoleerde in de geleidende toestand overgaat. De excitatie-energie wordt bepaald door het halfgeleidermateriaal zelf. Het ligt in het frequentiegebied van infrarood licht, dat uiteindelijk ook overeenkomt met de maximaal haalbare snelheid die met dergelijke materialen kan worden bereikt.

Record

Diëlektrische materialen (zoals glas of keramiek) zouden deze beperkingen kunnen ondervangen, aangezien zij veel meer energie nodig hebben om te worden geëxciteerd in vergelijking met halfgeleiders. Meer energie maakt dan weer het gebruik van licht met een hogere frequentie en dus een snellere datatransmissie mogelijk. Helaas kunnen diëlektrische materialen echter geen elektriciteit geleiden zonder te breken, aldus Marcus Ossiander, eerste auteur van de studie en momenteel postdoctoraal onderzoeker aan Harvard University. “Als je bijvoorbeeld een elektromagnetisch veld op glas aanbrengt zodat het elektriciteit geleidt, is het glas daarna gebroken of zit er een gat in.”

De uitweg die de onderzoeksgroep voor haar onderzoek koos: de spanning of de schakelfrequentie zo kort houden dat het materiaal in het geheel geen tijd heeft om te breken.

De chipindustrie richt zich met geïntegreerde fotonica op hogere prestaties

Sneller, lichter, duurzamer en onder aan de streep uiteindelijk ook goedkoper: de voordelen van fotonische circuits zijn aanzienlijk, voor een breed scala aan toepassingen.

Antwoorden

Meer specifiek gebruikten de natuurkundigen voor hun onderzoek een ultrakorte laserpuls met een frequentie in het extreme UV-bereik. Zij bombardeerden een lithiumfluoride monster met deze laserpuls. Lithiumfluoride is diëlektrisch en heeft de grootste bandkloof van alle bekende materialen. Dit is de afstand tussen de valentieband en de geleidingsband. De ultrakorte laserpuls bracht de elektronen in het lithiumfluoride in een energiekere toestand, zodat ze zich vrij konden bewegen.

Op die manier werd het materiaal even een elektrische geleider. Een tweede, iets langere laserpuls stuurde de aangeslagen elektronen in een gewenste richting, waardoor een elektrische stroom ontstond die vervolgens kon worden gedetecteerd met elektroden aan beide zijden van het materiaal. De metingen gaven antwoord op de vragen hoe snel het materiaal reageerde op de ultrakorte laserpuls, hoe lang het genereren van het signaal duurde en hoe lang men moet wachten voordat het materiaal aan het volgende signaal kan worden blootgesteld.

“Dit toont aan dat er bij ongeveer één petahertz een bovengrens is voor gecontroleerde opto-elektronische processen”, zegt Joachim Burgförder van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien. Dit betekent natuurlijk niet dat computerchips kunnen worden geproduceerd met een klokfrequentie van iets minder dan één petahertz. Maar één ding is zeker: voorlopig zal de opto-elektronica niet sneller worden dan uit de onderzoeken is gebleken. Hoe dicht toekomstige technologieën bij deze grens zullen komen, valt nog te bezien.