Computeronderdelen 250.000 maal zo klein

Herbert Blankesteijn

Het gebeurt niet vaak dat Beet last heeft van diep ontzag, maar ditmaal dus wel. IBM publiceert in een van de laatste nummers van Science een doorbraak op het gebied van machinaal rekenen die zijn weerga niet kent. Tegelijkertijd doet IBM een aanval op het wereldrecord dominostenen-laten-omvallen. Niet het record voor het grootste aantal - dat wordt deze week in Nederland weer eens scherper gesteld - maar het record voor de kleinste dominostenen.

Ter vergelijking, in een vorige aflevering [046 020911 Onderdelen van vijf atomen dik.doc] was Beet goed te spreken over vorderingen bij Intel, die de afmetingen van onderdelen op een chip ongeveer anderhalf keer zo klein maakten: van 130 nm (130 miljoenste mm) naar 90 nm. De Wet van Moore, die zegt dat elke twee jaar het aantal transistors op een processor verdubbelt, kon zo weer een tijdje mee.

Nu heeft IBM in het laboratorium schakelingen gemaakt van moleculen koolmonoxide, met verbindingen die slechts enkele atomen breed zijn. Daarmee kun je op dezelfde oppervlakte 250.000 maal zoveel (het kwadraat van 500) electronica kwijt als op de chips van nu.

Het basiselement van de IBM-uitvinding is een groepje van drie moleculen koolmonoxide (CO) op een ondergrond van koper. De koperen ondergrond gedraagt zich voor de CO-moleculen als een soort eierdoos, waarvan de gaten net iets te klein zijn voor de moleculen CO. Twee van die moleculen kunnen nog wel in naburige gaten zitten, maar wordt er een derde naastgepropt, dan wordt een van de eerste twee naar een gat verderop gedrongen.

De IBM-laboranten maken van deze eigenaardigheid gehaaid gebruik. Om te beginnen maken ze 'draden' door zulke groepjes van twee CO-moleculen op een rij te leggen. Dat doen ze met een scanning tunneling microsocoop (STM), een IBM-vinding van ruim tien jaar geleden, waarvoor nog eens een Nobelprijs is toegekend. Zo'n 'microscoop' is bestaat uit een uitermate fijne naald, waarmee een oppervlak zo nauwkeurig kan worden afgetast dat zelfs atomen en moleculen zichtbaar worden. Maar het is ook mogelijk er atomen en moleculen mee te verplaatsen.

Als er een draad van paren CO-moleculen is gevormd, wordt deze in werking gesteld door aan het begin een derde molecuul bij het eerste paar te duwen. Een van de drie moet nu wijken, en de rangschikking is zodanig dat deze belandt bij het tweede paar. Daarvan moet nu een het veld ruimen, enzovoort. De manier waarop het signaal zich voortplant lijkt sterk op het omvallen van een rij dominostenen.

Volgens dit principe heeft IBM ook een OF-poort kunnen maken, dat is een schakeling waar alleen een signaal uit komt als er een signaal is toegevoerd aan minstens een van de twee invoerpunten. Ook is er een AND-poort, die alleen signaal geeft als beide invoerpunten zijn geactiveerd. Top of the bill is een 'sorteerschakeling' met drie invoer- en drie uitvoerpunten. De respons van de uitvoerpunten is een ingewikkelde logische combinatie van de invoer. Van dit circuit zouden er 190 miljard passen op de achterkant van een potlood, aldus IBM. Op http://domino.research.ibm.com/Comm/bios.nsf/pages/cascade.html zijn afbeeldingen, powerpointbestanden en animaties te vinden die een en ander visualiseren. De ingewikkeldste schakelingen doen denken aan de patronen die dominorecordjagers aanleggen tussen hun kunstwerken.

Intussen zijn dergelijke circuits gewoon bouwstenen van computerchips. Wel zijn er nog tal van horden te nemen voor er serieus mee gerekend kan worden. Het bouwen van één schakeling kost nu uren en ze werken bij extreem lage temperatuur. Volgens de onderzoekers zijn dit overkomelijke hindernissen. Vervelender is, dat tot nu toe elk circuit maar één keer werkt. Net als bij dominostenen moet na één keer werken, alles opnieuw worden opgebouwd. De hoop is, dat een niet-mechanisch werkingsprincipe, bijvoorbeeld magnetisme, makkelijker omkeerbaar is. Maar zoiets moet nog worden gevonden.