Semiconductor technology & processingQuantum computing

10 min

Iuliana Radu over kwantumcomputers

“In 2035 zullen kwantumprocessoren met enkele duizenden qubits de eerste toepassingen mogelijk maken.”

Scroll

Cloud computing en ‘big data’-analyse vereisen alsmaar krachtigere rekensystemen. In deze visie vertelt Iuliana Radu, programmadirecteur voor ‘beyond CMOS’ en kwantumrekenen bij imec, hoe de meest krachtige computers er in 2035 kunnen uitzien.

Hebben we straks allemaal een ‘supercomputer’ nodig?

Vandaag kunnen we met onze smartphone nagenoeg elke app draaien, iedere mobiele game spelen en video streamen. Onze laptop lijkt ons perfect te ondersteunen, op het werk of thuis. Hebben we binnen 10 à 20 jaar dan nog wel krachtigere computerchips nodig? Toch is het antwoord: ja – de vraag naar alsmaar krachtigere rekensystemen zal blijven toenemen. In 2035 zullen we enorme hoeveelheden data blijven genereren, zonder er te deleten. Denk maar aan foto’s en video’s die we posten op sociale media – in welke vorm dan ook – en de grote hoeveelheden data die verwerkt worden door bedrijven zoals Google, Facebook en Amazon. Draagbare en inneembare apparaatjes zullen constant onze gezondheid monitoren, en de data combineren met onze genetische afdruk. Tel hierbij ook de grote hoeveelheid data die gegenereerd worden door nieuwe IoT-toepassingen, zoals zelfrijdende auto’s, slimme gebouwen en slimme steden. Het gros van deze data zal in de cloud worden verwerkt en opgeslagen. En dat vereist alsmaar krachtigere reken- en geheugenoplossingen. 

Een andere grote drijfveer is de analyse van big data. Voor de ontdekking van nieuwe geneesmiddelen en materialen, voor weersvoorspellingen, simulaties van nucleaire fenomenen of andere toepassingen zullen we alsmaar ‘betere’ computers nodig hebben om de groeiende datasets in rekening te kunnen brengen. Vandaag draaien deze toepassingen op supercomputers, waarin honderdduizenden klassieke processoren in parallel verschillende onderdelen van eenzelfde groot vraagstuk oplossen. Een nadeel van deze supercomputers is hun gigantisch vermogenverbruik, dat al gauw kan oplopen tot 15-20 megawatt. 

Zowel voor cloud computing als voor supercomputing hebben we oplossingen nodig die de rekenkracht naar een nog hoger niveau tillen, en dit bij een zo laag mogelijk energieverbruik. Bij imec bekijken we verschillende mogelijke benaderingen en trachten we realistische voorspellingen te doen over hun potentieel, als leidraad voor de industrie. 

Nieuwe drijfveren voor innovatie

Al meer dan 50 jaar wordt de weg naar steeds krachtigere chips geleid door de Wet van Moore, die binnen de halfgeleiderindustrie synoniem is geworden met de continue verkleining van de afmetingen en kostprijs van transistoren. Iedere twee jaar heeft de industrie een nieuwe technologienode geïntroduceerd met meer transistoren op eenzelfde chip-oppervlak. En dat heeft geleid tot alsmaar krachtigere reken- en geheugenchips. De kostprijsvermindering per transistor was vooral te danken aan zijn alsmaar kleinere voetafdruk. Maar vandaag veranderen de technologienodes minder frequent. Het wordt alsmaar moeilijker om de prijs per transistor te verlagen door enkel het oppervlak kleiner te maken. En daarom komen er nieuwe technologische drijfveren op de voorgrond. Zo wordt het alsmaar belangrijker om een bepaalde logische (of geheugen-) functie bij een zo laag mogelijk energieverbruik te kunnen afleveren. De vraag naar een toenemende performantie en kleiner vermogenverbruik worden de belangrijkste drijfveren voor innovatie.

image

De ‘reken-roadmap’, waarin de nood voor toenemende performantie bij een beschikbaar vermogenbudget geïllustreerd wordt. 

Hoog-performante chips in verschillende ‘smaken’

In de toekomst zal de klassieke schaalverkleining van transistoren niet langer het enige instrument zijn om een hogere performantie te bereiken. Er is een duidelijke trend ontstaan naar meer diversiteit in transistoren en naar meer circuits ‘op maat’. In het verleden werd één en dezelfde transistorarchitectuur gebruikt om alle functionaliteiten op een chip mogelijk te maken. Vandaag bestaan er al vijf tot zeven transistor-opties naast elkaar in eenzelfde technologienode. Elk van deze opties heeft verschillende performantie-specs, bijvoorbeeld met specifieke drempelspanningen of performantieniveaus. En dat maakt verschillende toepassingen mogelijk, gaande van ultralaag-vermogen-toepassingen voor het IoT, over mobiele toepassingen tot hoog-performante rekenchips. 

In het ‘hoog-performante’ domein verwachten we een grotere diversificatie op chip-niveau, en een toenemend gebruik van verschillende kleine chips in 2,5D- en 3D-verpakking. Zo zullen er meer gerichte verwerkingseenheden (CPU’s) beschikbaar worden, wat op zijn beurt zal leiden tot de ontwikkeling van alsmaar meer chips op maat. We zullen ook een variatie aan transistoren terugvinden, hetzij op eenzelfde chip, hetzij op verschillende chips die samenwerken, en dit alles zal mogelijk worden door de co-optimalisatie van systeem en technologie. 

We mogen verwachten dat technologienodes tegen 2035 niet alleen bestaan uit transistoren die gebaseerd zijn op Si, maar ook uit andere materialen en mogelijk uit ‘beyond-CMOS’-architecturen die samen met de klassieke oplossingen geïntegreerd zijn. Deze alternatieve transistoren kunnen naast CMOS gebruikt worden voor welbepaalde functies. Zo ontwikkelt imec meerderheidspoorten die gebaseerd zijn op spintronische componenten. Deze componenten beloven veel minder vermogen te verbruiken – twee grootte-ordes minder – maar enkel voor specifieke logische functies. We ontwikkelen ook transistoren die 2D-materialen in hun geleidingskanaal hebben, en die extreme schaalverkleining mogelijk maken of gebruikt kunnen worden als transistoren in de zogenaamde back-end-of-line van chips. 

Aan de vooravond van het kwantumrekenen

Sommige toepassingen zijn te complex om er klassieke rekenparadigma’s op los te laten. Hier kan kwantumrekenen soelaas bieden. In een kwantumcomputer wordt informatie op een fundamenteel verschillende manier gemanipuleerd dan in een klassieke computer. Traditionele computers werken met bits – die ofwel nul ofwel één kunnen zijn – en bewerkingen met deze bits gebeuren sequentieel. Kwantumcomputers werken met qubits die met een zekere waarschijnlijkheid nul kunnen zijn, en met een zekere waarschijnlijkheid één. Voeg hier nog de eigenschap van ‘kwantum-verstrengeling’ (of ‘entanglement’) aan toe, wat betekent dat qubits met elkaar praten en ook in onderling ‘overleg’ handelen. Hierdoor neemt het aantal mogelijke toestanden in een kwantumregister volgens een machtsfunctie toe met het aantal qubits. Bewerkingen kunnen op al deze toestanden tegelijkertijd worden uitgevoerd, wat zorgt voor een immense parallellisatie. 

Verwacht wordt dat kwantumcomputers de mogelijkheden van het klassieke rekenen zullen overstijgen. Maar het zal niet de ‘heilige graal’ zijn waarmee alle problemen kunnen worden opgelost. 

Kwantumrekenen zal maar nuttig zijn voor bepaalde toepassingen, bijvoorbeeld om problemen op te lossen die zeer veel variabelen als input hebben. Zo zou kwantumrekenen kunnen worden ingezet bij de zoektocht naar nieuwe materialen, bijvoorbeeld supergeleidende materialen die koper (Cu) in de rotoren van windturbines kunnen vervangen. De huidige windturbines bevatten tonnen Cu als wikkeling in de spoelen van hun motoren. En dat maakt de kop (of gondel) van de windturbine enorm zwaar, wat op zijn beurt een beperking met zich meebrengt voor de lengte van de wieken.

In Europa wordt daarom een deel van de rekentijd voor supercomputers gereserveerd voor het zoeken naar nieuwe supergeleidende materialen ter vervanging van Cu. Dergelijk onderzoek zou sneller kunnen vooruitgaan wanneer een kwantumprocessor gebruikt wordt als bouwblok van de supercomputer. Naast het zoeken naar nieuwe materialen bestaan er heel wat andere nuttige toepassingen, zoals de ontwikkeling van weer- en klimaatmodellen, de verkenning van de ruimte, fundamentele wetenschap, het opstellen van modellen voor economische of sociale fenomenen (waarvoor complexe differentiaalvergelijkingen moeten worden opgelost), machine learning, en de ontwikkeling van gepersonaliseerde geneesmiddelen.

image

Kwantumrekenen zou bv. kunnen ingezet worden voor materiaalonderzoek. Zo zou het kunnen helpen om een supergeleidend materiaal te vinden dat koper kan vervangen in de rotoren van windturbines.

Tegen 2035 mogen we al processoren verwachten met enkele duizenden qubits, waarop we al enkele algoritmes en kleine toepassingen zullen kunnen draaien. Tegen die tijd zullen we die kwantumcomputers ook kunnen inzetten voor materiaalonderzoek. Uiteindelijk zullen we de groeiende kracht van kwantumprocessing in de bestaande rekenparadigma’s moeten kunnen inbouwen om de vereiste ‘kwantumsprong’ in performantie te kunnen behalen...

 

Hoe werkt imec mee aan deze toekomst?

Imec levert een actieve bijdrage tot deze toekomstvisie met de ontwikkeling van technologieën voor de volgende generatie logische en geheugenchips. Eén van de opties bestaat erin om de Wet van Moore tot het uiterste te drijven door transistoren te schalen naar de 5nm technologienode en kleiner. Zo werden in 2018 enkele belangrijke doorbraken gerealiseerd in de ontwikkeling van technologieën voor de verdere schaalverkleining, zoals EUV-lithografie en sequentiële 3D integratie. Imec is er onder meer in geslaagd om met sequentiële 3D integratie FinFETs te stapelen met een fin-pitch van 45nm. Recente persberichten over nanowire FETs, GAA-transistoren met verticaal gestapelde nanowires, en complementaire FETs illustreren hoe imec werkt aan de schaalverkleining van transistoren voor technologienodes beneden 5nm. Daarnaast onderzoekt imec ook alternatieve ‘beyond-CMOS’-transistoren. In 2018 is imec erin geslaagd om 2D-materialen direct te groeien op 300mm wafers, en om succesvol nieuwe concepten zoals spintronische meerderheidspoorten te verkennen. Tenslotte ontwikkelt imec ook hardware-platformen om ‘compute-in-memory’ en kwantumrekenen te realiseren. In 2018 sloegen imec en Leti de handen in elkaar om oplossingen te zoeken voor kwantumrekenen en artificiële intelligentie. Op de website vind je meer informatie over imecs CMOS- en beyond-CMOS-onderzoek.

 

Meer weten?

  • In dit magazine-artikel kan u een bredere visie lezen over de technologieën voor de wereld van morgen.
  • In 2018 boekte imec heel wat vooruitgang met EUV-lithografie, een belangrijke technologie voor de verdere schaalverkleining. Lees het artikel in imec magazine.
  • Lees het magazine-artikel over imecs meest recente verwezenlijkingen op het gebied van sequentiële 3D integratie.
  • Als voorbeeld van een beyond-CMOS-technologie verkent imec spintronische en plasmonische meerderheidspoorten. Lees erover in imec magazine.
  • In deze editie van imec magazine kan u de visie door Jan Rabbaey lezen over het post-smartphone-tijdperk.

Dit artikel is onderdeel van een speciale editie van imec magazine. Naar aanleiding van imecs 35-jarig bestaan vormen we ons een visie van hoe technologie onze maatschappij zal beïnvloeden in 2035.

Over Iuliana Radu

Iuliana Radu is programma-directeur bij imec, waar ze de activiteiten rond beyond CMOS en kwantumrekenen leidt. Vooraleer ze in 2013 bij imec het programma rond ‘logic’ vervoegde, was ze Marie-Curie en FWO fellow bij KU Leuven en imec. Haar werk bij imec en KU Leuven richt zich op transistoren die gebruik maken van een metaal-naar-isolator-overgang, ionisch en elektronisch transport in functionele oxides, en transistoren met grafeen of andere 2D-materialen. Iuliana behaalde in 2009 haar doctoraat in de fysica aan het MIT, waar ze werkte aan het fractionele kwantum-Hall-effect en zocht naar ‘niet-abeliaanse’ quasideeltjes.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies