Hoe snel en klein kunnen computers worden?

De rekenkracht van computers wordt alsmaar groter en het formaat steeds kleiner. Om dit te begrijpen is het goed om te weten hoe een computer in grote lijnen werkt en voor welke uitdagingen we hebben gestaan om te komen tot de eerste en de hedendaagse computers. Hoe snel en klein kunnen computers eigenlijk worden? In dit artikel neem ik je mee in de fascinerende wereld van de nanometer.

De computer als rekenmachine

Schakelingen vormen de basis voor computers (lees eventueel eerst ‘Hoe werkt elektronica in jouw smartphone?‘). De allereerste rekenmachine die als basis dient voor alle computers die hierna zijn gemaakt, stamt uit de tweede wereldoorlog.

Zoals bij bijna elke uitvinding, is het ook bij de computer niet helemaal duidelijk wie de eerste heeft bedacht. Sommige historici beginnen de computergeschiedenis bij de ‘Mark 1’ van de Amerikaan Howard Aiken, uit 1944. Anderen vinden dat de voltooiing van ‘Z3’ van de Duitser Ernst Otto Zuse, drie jaar eerder, het begin was van het computertijdperk. (naar: https://anderetijden.nl/aflevering/508/De-PC-revolutie)
Velen vinden echter het werk van wiskundige en computerpionier Alan Turing het meest tot de verbeelding spreken. De film ‘The Imitation Game’ geeft een goed beeld van de technische, maar ook morele uitdaging. De trailer kun je prima in de bovenbouw van de basisschool laten zien.

Computers turing machine alfabetcilinders — Alfabetcilinders op de Turing machine

De Duitse legereenheden verstuurden berichten aan elkaar met belangrijke informatie. Deze berichten waren versleuteld (gecodeerd) met de Enigma-machine. Het lukte de Britten om de berichten te onderscheppen maar niet om te ontcijferen: niet met de hand en al helemaal niet uit het hoofd.
Wiskundige Alan Turing is aangenomen bij de geheime dienst om de Enigma-code te kraken. Turing ontwikkelde een mega-rekenmachine die zo groot was als een klaslokaal. De schakelingen (transistors) hadden het formaat van een volwassen hand. De rollen waarmee de juiste letters getoond werden zie je op de foto hierboven.

In de tientallen jaren daarna is het gelukt om een transistor zo klein als een erwt te maken. Dat is natuurlijk nog niet klein genoeg voor een zakrekenmachine. Rond 1960 is er een manier gevonden om elektronische componenten (onderdelen) op een printplaat (een stukje groen plastic) te plakken. Zo’n geïntegreerde schakeling noem je een ‘chip’ of ‘microchip’. De term micro zegt al iets over het formaat. De meest bekende vorm van een microchip is de microprocessor zoals de CPU (centrale verwerkingseenheid) die hieronder is afgebeeld.

Computers microprocessor — Microprocessor (afbeelding: Latorware)

Hedendaagse computers

Inmiddels zijn we zo ver dat er miljarden transistors op een chip passen. De chip zelf is ongeveer zo groot als een postzegel. Een beetje moderne smartphone anno 2019 heeft een of zelfs meerdere chips voor elke computerfunctie (centrale verwerking, grafische verwerking, werkgeheugen en opslag). Alles bij elkaar kom je al snel aan 400 miljard transistors. In één smartphone! Zonder dat we het ons beseffen lopen we elke dag met vele miljarden transistors rond.

Nanometer

Om een idee te krijgen hoe klein de hedendaagse schakelingen zijn, moeten we een beetje rekenen. Net als het rijtje ‘m-dm-cm-mm’ in de klas gaan we een rijtje maken van millimeter, micrometer en nanometer.

1 mm = 1.000 micrometer = 1.000.000 nanometer

Je ziet dat bij elke stap het getal 1000 keer zo klein wordt. Een schakeling op een microchip is slechts 5 nanometer…
Op een stukje chip van één millimeter passen dus 200.000 schakelingen. Voor degenen met een beetje scheikundige kennis: we zitten nu op het allerkleinste niveau; het niveau waarop we moleculen en atomen kunnen ‘zien’. Op dit minuscuul kleine niveau worden miljarden berekeningen per seconde gedaan en daardoor is het mogelijk dat je met een muisklik binnen no-time een website kunt openen.
Nu weet je in grote lijnen welke techniek er achter de hedendaagse computers zit. Maar er ligt nog meer in het verschiet…

Kwantumtechnologie

In de nabije toekomst zal de kwantumcomputer zijn intrede doen in de gewone wereld. Kwantumtechnologie maakt gebruik van het allerkleinste deeltje dat onderdeel is van alle elementen: de elektron. Hiermee kunnen we nóg kleinere schakelingen en tegelijkertijd nog krachtigere processoren maken. Hoe werkt dit?

Elektronen zwermen rond de kern van een molecuul als een stel op hol geslagen planeten in een zonnestelsel. Door de natuurkundige eigenschappen van elektronen – ze zweven in een wolk binnen de molecuul – kun je niet meer spreken over aan en uit (1 en 0), maar over één en nul tegelijk. De richting waarin de elektronen bewegen bepalen nu de waarde: met de klok mee geeft nu 0, tegen de klok in geeft 1.

Ken je de vergelijking nog van de lichtschakelaar met een transistor (zie Hoe werkt elektronica in jouw smartphone)? De lichtschakelaar kan aan en uit. In het geval van de kwantumschakeling vervangen we de lichtknop met een dimmer. Als we aan de dimmer draaien geeft de lamp een beetje meer of een beetje minder licht. Zo kun je veel preciezer instellen hoeveel licht je wilt. Het is een beetje aan en uit tegelijk.

Er worden als het ware twee schakelingen in een keer in gang gezet. Zo’n kwantumschakeling heet een ‘quantum bit’ of ‘qubit’. Voor elke qubit die je erbij plaatst, verdubbelt het aantal mogelijkheden zoals onderstaande afbeelding laat zien.

Een chip met 8 qubit kan dus 256 schakelingen tegelijk maken. Dit zorgt ervoor dat er veel snellere berekeningen gedaan kunnen worden. Dit klinkt erg theoretisch en als toekomstmuziek. Zien we dit al terug in de praktijk? Ja!
Een decennia geleden (2010) is de eerste kwantumcomputer geleverd aan een Amerikaans militair bedrijf (Lockheed Martin) met maar liefst 128 qubit. Dat staat gelijk aan 34 x 10^35. Dat is het getal 34 met 36 nullen erachter…

Tot slot

De technologische evolutie van eenvoudige elektronica naar computers naar kwantumcomputers is ronduit fascinerend! En, ik geef toe, een tikkeltje ongrijpbaar. Maar door dit artikel hopelijk een beetje begrijpbaar.