Darwin op een gouden chip

Onderzoekers van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie en het CTIT Instituut voor ICT-onderzoek van de Universiteit Twente zijn erin geslaagd om op een radicaal nieuwe wijze elektronische schakelingen te realiseren. Ze maken hierbij gebruik van evolutionaire processen die sterk lijken op Darwinistische evolutie. De schakelingen zijn net zo klein als hun conventionele tegenhangers, maar lijken veel meer op natuurlijke netwerken zoals ons brein. De Twentse resultaten zijn veelbelovend voor een nieuwe generatie krachtige, maar tegelijkertijd energiezuinige elektronica en zijn gepubliceerd in het gezaghebbende Britse tijdschrift Nature Nanotechnology.

De ontwikkeling van de digitale computer behoort tot een van de grootste successen van de 20^e eeuw. In de afgelopen decennia is de computer steeds krachtiger geworden door steeds meer en steeds kleinere componenten te integreren in chips. Het wordt echter steeds moeilijker en duurder om elektronica nog kleiner te maken. Transistoren bestaan nog maar uit een handjevol atomen en het is een geweldige uitdaging om de miljoenen transistoren in een chip hetzelfde gedrag te geven en dus de chip goed te laten werken. Daarbij neemt het energieverbruik onacceptabele vormen aan. Het is dus duidelijk dat we niet op dezelfde weg kunnen doorgaan.

 

Het is interessant om te kijken of we in dit opzicht wat kunnen leren van de natuur. Natuurlijke evolutie heeft namelijk geleid tot krachtige ‘rekenmachines', zoals ons brein, die complexe problemen kunnen oplossen op een energiezuinige manier. De natuur maakt hierbij gebruik van complexe netwerken die vele taken tegelijkertijd kunnen uitvoeren.

 

Ontwerploos

De aanpak van de Twentse onderzoekers lijkt veel meer op de oplossing die de natuur ‘bedacht' heeft. Ze hebben een netwerk van ongeveer 200 gouden nanodeeltjes gebruikt voor het uitvoeren van essentiële rekenkundige taken. In tegenstelling tot conventionele elektronica, ligt er geen ontwerp ten grondslag aan hun systeem. Kostbare ontwerpfouten kunnen dus niet gemaakt worden. De rekenkundige kracht van het netwerk wordt verkegen door kunstmatige evolutie. Deze duurt niet miljoenen jaren, maar slechts tientallen minuten. Door elektrische signalen aan te bieden, kan één en hetzelfde netwerk in 16 verschillende logische schakelingen geconfigueerd worden. Defecten die fataal zouden zijn in conventionele elektronica spelen geen rol, omdat de evolutionaire aanpak deze omzeilt of er zelfs gebruik van maakt.

 

Krachtig en energiezuinig

Het is de eerste keer dat wetenschappers erin geslaagd zijn op deze manier robuuste elektronica te realiseren met afmetingen die kunnen concurreren met commerciële technologie. De gerealiseerde schakelingen hebben volgens prof. dr.ir. Wilfred van der Wiel momenteel nog een beperkte rekenkracht. "Maar we hebben met dit onderzoek wel het proof of principle geleverd: aangetoond dat onze aanpak in de praktijk werkt. Door het systeem op te schalen, krijgt het straks echt toegevoegde waarde. Denk bijvoorbeeld aan de inzet bij het herkennen van patronen, zoals bij gezichtsherkenning. Dit is voor een reguliere computer zeer moeilijk, terwijl mensen en mogelijk ook onze schakelingen dit veel beter kunnen." 

 

Een ander belangrijk voordeel kan zijn dat dit soort schakelingen veel minder energie gebruikt, zowel bij de productie, als tijdens het gebruik. De onderzoekers voorzien een breed scala aan toepassingen, bijvoorbeeld in draagbare elektronica en in de medische wereld.

 

Hoe?

De chip bestaat uit niet veel meer dan de verzameling nanobolletjes en een aantal elektroden. Maar de gouden bolletjes hebben bijzondere eigenschappen, zo legt Wilfred van der Wiel uit in een artikel in de Volkskrant. Als er spanningspulsje op twee van de elektroden worden gezet, blijken er aan de andere kant van de chip soms wel en soms geen pulsjes door te komen. Door te combineren met spanningen kan in de chip elke gewenste logische schakeling worden geconfigureerd.

Hoe de stroompaden in de bolletjes precies lopen is onbekend. "Het is daarbinnen een blackbox; er ligt immers geen ontwerp aan ten grondslag", zegt Van der Wiel. "We weten alleen wat erin gaat en meten wat er uit komt. Meer is niet nodig".

 

S.K. Bose*, C.P. Lawrence*, Z. Liu, K.S. Makarenko, R.M.J. van Damme, H.J. Broersma en W.G. van der Wiel, Evolution of a Designless Nanoparticle Network into Reconfigurable Boolean Logic, Nature Nanotechnology  doi: 10.1038/NNANO.2015.207. *These authors contributed equally to this work.