Elektronische chips lopen tegen efficiëntiegrenzen aan door warmteontwikkeling. Fotonica biedt een zuiniger en sneller alternatief. Het Nederlandse ecosysteem heeft een sterke uitgangspositie om de afhankelijkheid van de gevestigde spelers te doorbreken.
End-to-end optische dataverwerking mist nog een goed optisch geheugen.
Het huidige geheugen voor fotonen is erg vluchtig; DUAL3M onderzoekt het gebruik van nieuwe materialen voor stabiele, compacte, niet-vluchtige en herschrijfbare fotonische opslag.
TU Eindhoven en Motion Imager bundelen krachten voor onderzoek naar dit nieuwe fotonische geheugen met als doel de toepassing ervan dichterbij te brengen. Dit leidt mogelijk tot een doorbraak voor end-to-end optische dataverwerking.
Het energieverbruik en de warmteontwikkeling in de huidige generatie computersystemen vormen in toenemende mate een maatschappelijk probleem. Zo verbruikt een datacentrum evenveel stroom als een middelgrote tot grote stad. Sommige hyperscalers hebben daarnaast tot wel twintig miljoen liter water per dag nodig om de warmte af te voeren die de serverchips genereren. Die ontwikkeling kan niet lang meer zo doorgaan.
‘Doorbraken komen als mensen wanhopig worden’, is de vuistregel van Peter Baltus, hoogleraar Integrated Circuits aan de TU Eindhoven. Hij heeft een jarenlange carrière bij onder meer Philips en NXP. “Als bestaande technologie geen oplossing meer is voor een probleem, en de kosten en risico’s bij het verder oprekken van de bestaande mogelijkheden onacceptabel worden, dan ontstaat er ruimte voor alternatieven”, constateert hij. Het is duidelijk dat de groeicurve van conventionele transistor-gebaseerde computertechnologie eindig is. “We lopen niet tegen een muur aan, maar wel tegen een zacht springkussen. Je moet steeds harder duwen om vooruit te komen.”
"Doorbraken komen als mensen wanhopig worden."
Peter Baltus, hoogleraar Integrated Circuits, TU Eindhoven
Computertechnologie blijvend verbeteren is een must
Informatieverwerking en communicatie met behulp van fotonen hebben niet zoveel last van het grote energieverbruik en sterke warmteontwikkeling dat bij elektronische dataverwerking optreedt. Fotonen hebben namelijk – in tegenstelling tot elektronen – geen massa en ze veroorzaken ook geen elektrische weerstand. Informatieoverdracht kan daardoor tot wel duizendmaal sneller dan met elektronen. Die voordelen kent iedereen die zijn computer heeft aangesloten op een glasvezelnetwerk. Glasvezel voor communicatie is al gemeengoed nu meer dan de helft van de huishoudens in Nederland over een actieve aansluiting beschikt. Communicatie over langere afstanden gaat al decennia via glasvezelkabels.
Ook bij datacommunicatie op de ultrakorte afstand – dus tussen de onderdelen in een server – biedt fotonica al voordelen door het energieverbruik en de warmteontwikkeling te verminderen. Zelfs het uitvoeren van berekeningen met fotonen (optical computing) is bezig aan een opmars. Wanneer end-to-end optische dataverwerking mogelijk is, hoeft informatie niet meer omgezet te worden tussen fotonen en elektronen, waardoor de snelheid toeneemt en het energieverbruik daalt. Het Nederlandse ecosysteem rond fotonica waarin kennisorganisaties en bedrijven nauw samenwerken, biedt bovendien kansen om de toekomstige generatie computertechnologie in Europa te vestigen en de afhankelijkheid van niet-Europese aanbieders te verminderen.
Apu Saha, CEO en oprichter van Motion Imager, wil graag gebruikmaken van de voordelen van end-to-end optische dataverwerking. Het fotonische geheugen kan een aanvulling betekenen voor de mogelijkheden van de nieuwe onconventionele computertechnologie, die het bedrijf ontwikkelt. Bij de huidige computers ontstaat er altijd een merkbare vertraging en problemen met nauwkeurigheid die desastreus kunnen uitpakken. Saha noemt een voorbeeld uit de maakindustrie waarbij met een frees, die 30.000 toeren per minuut draait, een oppervlak wordt bewerkt. In die machine moeten realtime beslissingen worden genomen over het vertragen, stoppen of verwisselen van de freeskop. “Een minieme afwijking van bijvoorbeeld 0,001 mm kan de kans op breuk sterk verhogen”, schetst Saha. Voor realtime analyse in deze situatie is heel veel rekenkracht nodig. End-to-end optische dataverwerking kan daarvoor uiteindelijk de benodigde rekensnelheid leveren, waardoor digitale modellen een betere representatie van de werkelijkheid geven, in combinatie met een laag energieverbruik en weinig warmteontwikkeling.
Saha noemt nog andere voorbeelden van processen waarbij behoefte is aan snelle, energiezuinige en nauwkeurige emulatie van fysieke processen. Zo zijn er geautomatiseerde lassystemen in industriële productieprocessen die moeten inspelen op veel variabelen die tegelijk veranderen. “Je kunt de fysieke variabelen van een proces niet goed simuleren zonder realtime verificatie en validatie, waardoor er nu in de beginfase nog veel fout gaat.”
Behoefte aan snelle, energiezuinige rekencapaciteit
In de klassieke elektronica worden bits opgeslagen als lading in condensatoren of als toestanden in transistoren. Dat is een betrouwbare en stabiele manier om informatie te bewaren. Het nadeel is dat het proces van lezen en schrijven van informatie veel energie kost en gepaard gaat met warmteontwikkeling. “Het is niet alleen de interface tussen fotonen en elektronen: elektronische opslag is ook gewoon langzaam”, zegt Baltus, die ook lid is van de raad van advies is van Motion Imager, het bedrijf van Saha. “Je wilt graag dat essentiële functies, zoals het geheugen, even snel zijn als de andere onderdelen van het rekenproces. Anders heb je bij wijze van spreken een mooie Formule 1 racewagen met de motor van een stadsautootje.”
Optische opslag is veel ingewikkelder dan elektronische opslag omdat je fotonen niet kunt ‘stilleggen’ zoals de elektronen in een condensator of geheugencel. Het is wel mogelijk om fotonen te laten rondcirkelen in een optische resonator. Dat is simpel gezegd, een ruimte waarin licht enige tijd heen en weer kaatst tussen spiegels of ander reflecterend materiaal. Een speciale variant daarvan is de resonator in de vorm van een gesloten ring waarbij de fotonen rondjes blijven draaien tot er met behulp van specifieke golflengten een bewerking plaatsvindt. Zo’n ringresonator kan zelfs op een chip worden geïntegreerd.
Optische opslag is nog te vluchtig
Een groot nadeel van deze vorm van optische opslag is het vluchtige karakter ervan. Een ringresonator kan hooguit enkele nanoseconden informatie vasthouden omdat er verlies optreedt bij het rondcirkelen van de fotonen. Onderzoekers werken daarom aan mogelijkheden om optische informatie voor langere tijd op te slaan. In het project DUAL3M wordt onder meer gekeken naar de ontwikkeling van nieuwe materialen waarin met fotonen een toestandsverandering kan worden aangebracht die weer kan worden teruggezet. Saha: “Dit is echt niet simpelweg klassieke CMOS-siliciumgeheugentechnologie.”
De TU Eindhoven is toonaangevend in onderzoek naar optische technologie. Weiming Yao, universitair docent bij de onderzoeksgroep Photonic Integration van de TU Eindhoven, werkt al jaren aan het genereren, detecteren en manipuleren van optische signalen op een chip. In die tijd is de basis gelegd voor fotonische chiptechnologie, waarbij nieuwe ideeën ontstonden voor de ontwikkeling van een optisch geheugen. “We willen informatie opslaan in materiaalstatussen die we kunnen bewerken met fotonen. We hopen daarmee een systeem te creëren dat op een betrouwbare manier miljarden schrijf/lees-acties kan uitvoeren.”
Saha heeft in zijn bedrijf veel kennis en expertise rond de ontwikkeling en bouw van apparaten en chips. “Wij zijn een full stack company en creëren onze eigen hardware. Een geheugenmodule als deze staat op ons lijstje met het intellectueel eigendom dat we graag in huis willen ontwikkelen”, geeft hij als reden voor zijn enthousiasme voor dit DUAL3M-project. Ook op het gebied van materiaalontwikkeling hebben Saha en zijn team al heel wat ervaring.
"We willen informatie opslaan in materiaalstatussen die we kunnen bewerken met fotonen."
Weiming Yao, universitair docent onderzoeksgroep Photonic Integration, TU Eindhoven
Project verkeert in startfase
De komende periode draait het dus om het slim combineren van fotonische en elektronische computertechnologie. Baltus: “Fotonische computertechnologie ontwikkelt zich snel, maar er zit een groot gat in volwassenheid tussen fotonica en elektronica. We hebben nog wel een aantal stappen te zetten voordat je een fotonisch alternatief hebt voor een SD-kaart van een tientje waar 120 GB op past.” Baltus vergelijkt de situatie met de overschakeling in de auto-industrie van verbrandingsmotoren naar elektrische motoren. “Auto’s worden op een gegeven moment niet meer echt zuiniger. Dan volgt de ontwikkeling van de elektrische auto en kan weer een stap worden gezet. Daar zitten eerst nadelen aan, dus zijn er nu hybride auto’s als tussenoplossing.”
Onderzoeken als deze zijn belangrijk omdat ze een schakel vormen tussen materialenonderzoek en onderzoek naar nieuwe computertechnologie, voegt Yao toe. “We mikken op de ontwikkeling van een demonstrator die geïntegreerd kan worden in een computerplatform. Daardoor kan snel de kloof tussen onderzoek en toepassing worden gedicht. Zo ontstaan voordelen voor bedrijven die hier als eerste op inspringen en kansen voor het ecosysteem in deze regio.”
Maatschappelijke en economische impact kan groot zijn
Disruptieve overgangen komen doorgaans niet uit de koker van gevestigde spelers. Die zijn meer bezig om de technologie waarmee ze succes hebben, te verfijnen zodat deze zo lang mogelijk relevant blijft. Dat biedt kansen voor start-ups of spin-offs die zich zonder ballast uit het verleden kunnen specialiseren in een nieuwe aanpak.
Vaak ontstaan er parallel verschillende ontwikkelingen. Welke technologie dan als winnaar uit de bus komt, is in de beginfase niet te voorspellen. In Nederland is ASML groot geworden, nadat het bedrijf zich had afgesplitst van Philips. Een spin-off van de TU Delft ontwikkelde later een veelbelovende alternatieve lithografie-aanpak, maar slaagde er niet in op te schalen en daarmee een concurrerende positie te bereiken. Dit project draagt bij aan het realiseren van een nieuw computerparadigma dat nieuwe typen dataverwerking aankan waar de huidige computertechnologie moeite mee heeft. Het gezamenlijke team van de TU Eindhoven en Motion Imager heeft voor het onderzoek toegang tot hoogwaardige kennis en geavanceerde tools, productiefaciliteiten en het fotonische ecosysteem waardoor een heel gunstige uitgangspositie ontstaat. Saha: “Maar voorzichtigheid bij het voorspellen van het onbekende is belangrijk.”
Baltus vindt dat Nederland al veel doet om kansrijke initiatieven tot ontplooiing te laten komen, bijvoorbeeld met PPS-projectfinancieringen van Holland High Tech. “Als je in een aantal veelbelovende ontwikkelingen investeert, is de kans dat er een paar succesvol worden best groot. Het succes is wel afhankelijk van veel variabelen waarover je geen controle hebt, en die je soms niet eens kent.” De startup-fase gaat in Nederland goed, maar zijn er relatief veel ondernemingen die in de groeifase blijven steken. “De overheid zou kunnen kijken of het mogelijk is bedrijven in die fase beter te ondersteunen”, denkt Baltus.
Zulke innovatieve bedrijven zijn essentieel voor de ontwikkeling van nieuwe ecosystemen en technologische autonomie en onafhankelijkheid. “Als we ons plan tot een succes weten te maken, is dat van enorm strategisch belang voor Nederland en het hele continent”, stelt Saha. “Met nieuw eigen intellectueel eigendom in Europa en een goed plan om dit te commercialiseren, ontstaan hier nieuwe Key Enabling Technologies. Daardoor kunnen hier verschillende industrieën ontstaan die weer nieuwe spin-offs genereren en de basis leggen voor nieuwe onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten.” Hij wijst erop dat in Nederland op die manier een hele toeleveringsketen kan ontstaan rond de verwerking van de nieuwe kritische materialen die nodig zijn voor zo’n toekomstig fotonisch geheugen. Het project kan zo een goede kandidaat zijn voor een IPCEI (Important Project of Common European Interest).
“Als we ons plan tot een succes weten te maken, is dat van enorm strategisch belang voor Nederland en het hele continent.”
Apu Saha, CEO en oprichter, Motion Imager
