Warmte en geluid zijn de grote vijanden van computerontwerpers. Tot nu. Fonon-gebaseerde computers zijn namelijk veel zuiniger dan de huidige generatie.

Fononen, elementaire geluidsdeeltjes

Niet alleen licht, ook geluid komt voor in een soort elementaire deeltjes, fononen genaamd. Deze quasideeltjes bestaan uit elementaire trillingen van atomen die zich voortplanten door materialen. In veel opzichten gedragen fononen zich als echte deeltjes. Zo kunnen ze weerkaatsen en bestaan er zelfs geluidslenzen. We nemen fononen waar als geluid, maar ook als warmte. Warmte bestaat immers uit de trilling van atomen.

De dreigende warmtedood van de computer

De productie van warmte en geluid, fononen dus, is een groot probleem voor electronici en hoe hoger de kloksnelheid, hoe meer fononen. Volgens sommige voorspelllingen zal dit uiteindelijk zelfs meer zijn dan een kernreactor van die grootte produceert. Als onderdelen warmer worden veranderen hun elektrische eigenschappen. Ook kunnen de geluidstrillingen afstanden tussen elektrische onderdelen vergroten en verkleinen of met hun eigen trilling de trillingen in elektrische circuits verstoren. Het resultaat: elektrische ruis, dus een slechter werkend apparaat, of zelfs doorbranden. Om deze ruis te overstemmen is veel vermogen nodig. Vandaar dat ontwerpers krampachtig allerlei technieken moeten verzinnen om afvalwarmte en geluidstrillingen uit hun schakelingen te verwijderen. Denk aan de ventilator of koelvinnen in je computer.

Ruistolerant

Eén oplossing is ruistolerante elektronica ontwikkelen die de fonon-ruis juist gebruikt om het signaal te verbeteren. Het is dan niet meer nodig de ruis te overstemmen. Luca Gammaitoni van de universiteit van Perugia, Italië, is er in geslaagd een detector te ontwikkelen die signalen zo groot als de achtergrondruis kan detecteren. Een computer op basis van deze detector zou al veel zuiniger kunnen werken dan de huidige generatie.

Maak van je vijand je vriend

Op een gegeven ogenblik kregen onderzoekers een briljante inval. Waarom zouden de fononen zelf niet gebruikt kunnen worden in plaats van elektronen? De eerste fonon-tronica is nu volop in ontwikkeling. Zo heeft Mohanty al de eerste fonon-logische poort (een elementair onderdeel van een computer) ontwikkeld en werkt Laslo Kish aan een theoretisch model van een geluidscircuit: de basis van een geluidscomputer. Fonon-logische poorten zijn weliswaar veel langzamer dan elektronische poorten, maar gebruiken per rekenstap ongeveer honderd keer zo weinig energie. Ideaal dus voor apparaten die langdurig op weinig energie moeten werken, zoals omgevingssensoren in afgelegen gebieden of de ruimte. Mohanty verwacht dat de eerste prototypes productieklaar zijn in vijf tot zeven jaar.

Geluidsdioden, schakelaars en geluidsstroomdraden

Ook andere essentiële onderdelen, zoals geluidsdiodes (laten geluid maar in één richting door) zijn nu ontwikkeld. Het blijkt zelfs dat geluidsdeeltjes door kabels heen kunnen worden gestuurd. Door de extreme stijfheid van koolstofnanovezels zijn dit uitstekende geleiders voor geluid. Ook elektronica om samen te werken met geluid op nanoschaal is nu in ontwikkeling. Door spanning op een trillend siicium staafje te zetten veranderen namelijk de eigenfrequenties van het staafje: een schakelaar. Kortom: de geluidscomputer komt steeds dichterbij.