Minder energieverlies op microchips

Leuvense ingenieurs van de Afdeling Micro-elektronica en Sensoren (MICAS) hebben een manier ontwikkeld om chips meer energie-efficiënt te maken: door verschillende, kleinere stroomconvertoren te doen samenwerken gaat er minder energie verloren op een chip.

Een microchip in je laptop, smartphone of tablet lijkt een beetje op een piepkleine stad. De gebouwen in de stad zijn de transistoren. Daartussen lopen een aantal toegangswegen voor het verkeer – de elektriciteit, die de transistoren van energie moet voorzien. En net zoals in een echte stad ontstaan er files: hoe meer pendelaars, hoe langer de file en hoe meer tijd verloren gaat. Dat geldt ook voor een chip: hoe meer stroom er naartoe moet vloeien, hoe meer energie verloren gaat tijdens het transport. De afgelopen vijftig jaar werden de transistoren sterk geminiaturiseerd: de stad werd meer volgebouwd. Het voordeel daarvan is dat de chips van nu veel meer kunnen. Het nadeel is dat ze nog meer elektriciteit nodig hebben en nog meer energie kwijtspelen tijdens het transport.

Ingenieur Nicolas Butzen doctoreert onder leiding van professor Michiel Steyaert over micro-elektronische vermogensschakelingen en legt uit: “In sommige gevallen is de verloren energie bij het transport amper nog te verantwoorden: bij de chips van de laatste generatie smartphones gaat bijvoorbeeld 30 procent van de stroom tijdens het transport verloren. Dat verlies leidt zowel bij kleine als grote toepassingen – van je smartphone tot een serverpark – tot een beperkt batterijleven en een hogere elektriciteitsrekening. Het zorgt er ook voor dat de performantie van toekomstige chips stagneert. We kunnen wel chips maken die meer kunnen, maar dan vragen ze nog meer energie of vermogen.”

Er gebeurt momenteel veel onderzoek naar meer energie-efficiënte chips om dat probleem op te lossen. “Vergelijk het met het bouwen van treinstations of carpoolparkings om de files tegen te gaan. Op een chip plaatst men geïntegreerde stroomconvertoren, waarin de spanning van de elektriciteit verlaagd wordt. Dat heeft tot gevolg dat de chip een kleinere hoeveelheid stroom verbruikt en er dus minder energieverlies is. Helaas hadden deze geïntegreerde convertoren tot nu toe zelf te kampen met significante energieverliezen. Alsof je in het treinstation ook in de file staat.”

Butzen onderzocht manieren om de energieverliezen van stroomconvertoren te beperken. “Bij het omzetten van de spanning in zo’n stroomconvertor gaat een deel van de lading elektronen verloren. We kunnen dat verlies minimaliseren door verschillende, kleinere stroomconvertoren te doen samenwerken: de verloren lading van één stroomconvertor recycleren we in een andere. Zo komen we tot een stroomconvertor die driemaal efficiënter is dan de beste tot nog toe, en de grens is nog niet bereikt. Daarmee is de grootste beperking van stroomconvertoren weggevallen. Hopelijk komt dat de ontwikkeling van energie-efficiënte chips ten goede en opent het de weg naar chips die nog meer kunnen.”