Chipmakers moeten leren omgaan met ruis

Binnen tien jaar zijn chiponderdelen waarschijnlijk zo klein, dat ze niet meer foutloos kunnen werken. Chipmakers kunnen dat probleem ondervangen door dezelfde berekening door verschillende schakelingen te laten uitvoeren en de meeste stemmen te laten gelden. Tenminste, als die schakelingen niet tè veel fouten maken.

Donderdag promoveert Falk Unger aan het Centrum voor Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam op onderzoek naar het aantal fouten dat een logische poort mag maken, voordat hij onbruikbaar wordt.

Unger: "Met de huidige snelheid van miniaturisering naderen we volgens Intel binnen tien jaar het punt waarop het onmogelijk wordt chiponderdelen foutloos te laten functioneren. Transistoren bestaan nu misschien uit duizend atomen, maar dat worden er steeds minder. En hoe kleiner een transistor is, hoe groter de kans dat deze een foute uitkomst geeft."

Bij de ontwikkeling van quantumcomputers was dit ruisprobleem al bekend. ‘Qubits', de rekeneenheden van een quantumcomputer, vervallen namelijk snel. Om er toch mee te kunnen rekenen bouwen natuurkundigen redundantie in. Unger: "Redundantie inbouwen is veel ingewikkelder op een quantumcomputer, maar voor klassieke computers werkt redundantie ongeveer zo: in plaats van dat je één persoon om de uitkomst van een som vraagt, leg je hetzelfde probleem aan verschillende mensen tegelijk voor. Het antwoord dat het meest gegeven wordt, is het juiste antwoord." Maar als het ruisniveau te hoog wordt, heeft zelfs het toevoegen van redundantie geen zin meer.

Unger wilde weten hoe hoog het foutpercentage mag zijn van één quantumschakeling, voordat hij onbruikbaar wordt. "Er komt een punt waarop het foutpercentage zo hoog is, dat het geen zin meer heeft om redundante quantumschakelingen toe te voegen."

De grens ligt bij 8,9 procent

In de loop van zijn onderzoek realiseerde de van oorsprong Duitse onderzoeker zich dat het ruisprobleem binnen tien jaar ook gaat spelen voor klassieke computers. Hij besloot daarom ook aan de slag te gaan met een klassieke NAND-poort. Deze schakeling is de meest gebruikte schakeling in moderne computerchips. De poort heeft een 0 als uitkomst wanneer hij 1+1 als input krijgt en een 1 in alle andere gevallen (0+1, 1+0 en 0+0). Unger rekende uit hoeveel fouten een NAND-schakeling mag maken, voordat het toevoegen van redundantie zinloos wordt.

De uitkomst van zijn wiskundige analyse is een percentage van ongeveer 8,9 procent. Een NAND-poort mag dus niet vaker dan in 8,9 procent van de gevallen een fout maken. Boven dat percentage is het onmogelijk ermee te rekenen, ongeacht hoeveel redundante poorten je toevoegt.

Hiermee heeft een chipfabrikant zoals Intel een keihard criterium in handen om te bepalen of een NAND-poort nog bruikbaar is of niet. Unger: "Maar als ik chipmaker was zou ik streven naar een foutpercentage dat veel lager ligt, want dat betekent dat ik minder extra poorten zou hoeven toevoegen."