UTFaculteitenEEMCSNieuws25 jaar chipinnovaties: doorbraken van wereldklasse uit Twente

25 jaar chipinnovaties: doorbraken van wereldklasse uit Twente

Chiptechnologie is de stille motor achter veel van onze moderne innovaties. Van smartphones en internetverbindingen tot slimme sensoren: zonder de voortdurende vooruitgang in chipontwerp zou onze verbonden wereld ondenkbaar zijn. Bij de Universiteit Twente staat de vakgroep Integrated Circuit Design (ICD) al meer dan 25 jaar aan de voorhoede van deze ontwikkeling. Hun werk behoort niet alleen tot de wereldtop, maar heeft ook een directe en tastbare impact op ons dagelijks leven. Hier zijn zes baanbrekende innovaties die dat bewijzen.

1. De Nauta-schakeling: Een revolutie in draadloze communicatie

Onderzoeker: Bram Nauta

Het begon in 1987 met een ingeving tijdens het zwemmen. Bram Nauta – destijds net begonnen aan zijn promotieonderzoek – kreeg een idee dat de basis zou leggen voor zuinige en snelle draadloze communicatie. Hij klom snel het zwembad uit, vroeg de badmeester om pen en papier, en schetste een baanbrekende elektronische schakeling die vandaag de dag in bijna alle apparaten terug te vinden is.

De zogenoemde Nauta-schakeling, opgebouwd uit inverters, filtert het juiste signaal uit een wirwar van frequenties. Dit resulteerde destijds in een supersnelle chip die aanzienlijk sneller en efficiënter was dan bestaande technologieën. Dankzij de Nauta-schakeling werden mobiele telefoons energiezuiniger, sneller in datatransport en betrouwbaarder in signaalverwerking. Het ontwerp vond al snel zijn weg naar de telecomindustrie.

Tegenwoordig is de Nauta-schakeling een wereldwijde standaard in mobiele telefoons en blijft het een inspiratiebron voor nieuwe innovaties in chipontwerp.

Schematische weergave van de Nauta-schakeling

2. Thermal Noise Cancelling: Minder ruis, betere ontvangst

Onderzoekers: Federico Bruccoleri, Eric Klumperink en Bram Nauta

Met de komst van snel mobiel internet moeten smartphones steeds meer en bredere frequentiebanden ontvangen. Dit vraagt om breedbandige ontvangers, maar deze hebben een nadeel: ze genereren thermische ruis. Deze ruis, die ontstaat door warmte in elektronische schakelingen, is vergelijkbaar met een zacht storend geluid dat de ontvangst verstoort. Vooral de antenneversterker – het onderdeel dat het binnenkomende signaal versterkt – is verantwoordelijk voor een groot deel van die ruis. Dit maakt het lastig om een helder signaal te ontvangen.

In de jaren negentig vonden promovendus Federico Bruccoleri, universitair docent Eric Klumperink en hoogleraar Bram Nauta een oplossing voor dit probleem. Ze ontwierpen een breedbandige antenneversterker die het signaal langs twee identieke, maar tegengestelde paden leidt. Door deze slimme techniek wordt de thermische ruis vrijwel volledig weggefilterd, terwijl het gewenste signaal intact blijft. Het resultaat was een antenneversterker die qua gevoeligheid en bereik net zo goed presteerde als smalbandige versies, maar met een veel breder toepassingsgebied.

Deze ongepatenteerde innovatie wordt vandaag de dag breed toegepast in mobiele telefoons. De kans is groot dat je telefoon chips bevat die op dit principe zijn gebaseerd. De techniek wordt niet alleen gebruikt, maar ook onderwezen: het staat beschreven in toonaangevende leerboeken over radiochipontwerp. Het onderzoek werd internationaal erkend en bekroond met de prestigieuze Jan van Vessem Award for Outstanding European Paper op de ISSCC-conferentie.


Schematische weergave van de werking van Thermal Noise Cancelling

3. 1/f ruis reductie: Precisie zonder storingen

Onderzoeker: Arnoud van der Wel

Transistoren – de kleine schakelaars die signalen versterken of regelen in vrijwel alle elektronische apparaten – produceren van nature ruis. Deze ruis, een soort achtergrondgeluid, maakt het moeilijk om zeer precieze metingen te doen. Arnoud van der Wel vond een slimme oplossing: door de transistor heel kort uit te schakelen en daarna weer in te schakelen, krijgt de ruis geen kans om zich op te bouwen.

Je kunt het vergelijken met een horrorfilm in de bioscoop. Stel dat je alleen wilt genieten van het haarscherpe 4K-beeld en het Dolby-surround geluid, maar niet van de enge verhaallijn. Door de film telkens na een minuut opnieuw te starten, geniet je van de technische kwaliteit, terwijl de verhaallijn – de ruis – nooit volledig tot ontwikkeling komt.

Deze techniek, bekend als 1/f ruisreductie, wordt tegenwoordig breed toegepast. Het is essentieel in meetversterkers en andere toepassingen waar extreem nauwkeurige metingen vereist zijn. Dankzij Van der Wels werk kunnen elektronische systemen nu met ongekende precisie functioneren.


Illustratie van 1/f ruisreductie

4. Subsampling Phase Locked Loop (SSPLL): Efficiëntie in hoge frequenties

Onderzoeker: Xiang Gao

Moderne computers en elektronische apparaten verwerken enorme hoeveelheden signalen die precies op het juiste moment moeten aankomen. Om deze timing te regelen, gebruiken apparaten een speciale schakeling genaamd Phase Locked Loop (PLL). Dit onderdeel zorgt ervoor dat signalen netjes op elkaar afgestemd blijven, vergelijkbaar met een goed georganiseerde verkeersstroom.

Bij traditionele PLL’s zijn er echter twee uitdagingen. Ten eerste kunnen er kleine afwijkingen in de timing ontstaan, wat leidt tot minder nauwkeurige prestaties. Dit noemen we jitter. Ten tweede kost het veel energie om deze afwijkingen te corrigeren, waardoor de schakeling minder efficiënt is.

Xiang Gao ontwierp een nieuwe techniek genaamd Subsampling Phase Locked Loop (SSPLL). Deze schakeling controleert en corrigeert de timing van signalen op een veel slimmere manier. Hierdoor werken apparaten nauwkeuriger en verbruiken ze minder energie. Dit maakt de techniek niet alleen efficiënter, maar ook duurzamer.

Vandaag de dag wordt Gao’s innovatie wereldwijd gebruikt in computers en andere apparaten. Het resultaat is betere prestaties en een lager energieverbruik, wat belangrijk is in een wereld waar we steeds meer afhankelijk zijn van elektronica.


Weergave van Subsampling Phase Locked Loop

5. N-Path Filters: Kleinere chips met veelzijdige toepassingen

Onderzoekers: Milad Davishi en Amir Ghaffari

Elektronische apparaten zoals telefoons, Wi-Fi-routers en bluetooth-apparaten gebruiken filters om signalen te verwerken. Deze filters zorgen ervoor dat alleen de gewenste frequenties worden doorgelaten, terwijl andere signalen worden geblokkeerd. Traditionele filters kunnen echter groot en moeilijk aan te passen zijn, vooral bij hoge frequenties.

Milad Davishi en Amir Ghaffari ontwikkelden de innovatieve N-Path Filter, een techniek die gebruikmaakt van zogenaamde passieve mixers. Hiermee wordt een laagdoorlaatfilter – een filter dat lage frequenties doorlaat – getransformeerd naar een filter dat werkt op hogere frequenties. Dit maakt het mogelijk om met één filter een breed scala aan frequenties af te stemmen, afhankelijk van de klokfrequentie waarmee het filter wordt aangestuurd.

Een manier om dit te begrijpen, is door het te vergelijken met een kind op een schommel. De schommel beweegt op en neer, waarbij potentiële energie (wanneer de schommel stilstaat) en kinetische energie (wanneer de schommel in beweging is) steeds in elkaar worden omgezet. In een N-Path Filter gebeurt iets soortgelijks, maar dan met energie die wordt opgeslagen in elektronische componenten zoals condensatoren en spoelen.

Het resultaat van deze techniek is indrukwekkend. Met N-Path Filters kunnen chips aanzienlijk kleiner worden gemaakt, terwijl ze ook veelzijdiger zijn. Deze filters worden inmiddels breed toegepast in allerlei apparaten die signalen ontvangen of verzenden, zoals telefoons, Wi-Fi-apparaten en bluetooth-apparaten.


Vergelijking tussen vaste resonantiefrequentie en digitale afstemming met N-Path Filters

6. Energiezuinige analoog-naar-digitaal omzetters: De sleutel tot IoT

Onderzoekers: Michiel van Elszakker, Simon Louwsma, Ed van Tuyl (†) en Harijot Singh Bindra

In 2010 ontwikkelden Michiel van Elszakker, Simon Louwsma en Ed van Tuyl een nieuwe analoog-naar-digitaal omzetter die niet alleen twintig keer energiezuiniger was dan bestaande ontwerpen, maar ook sneller werkte. Dit record bleef vijf jaar op naam van de Universiteit Twente staan. Tien jaar later bracht onderzoeker Harijot Singh Bindra het wereldrecord opnieuw naar Twente met een nóg efficiëntere schakeling.

De opkomst van het Internet of Things (IoT) – een wereld waarin talloze sensoren continu data verzamelen – maakt deze innovaties cruciaal. Deze sensoren, die vaak op kleine batterijen werken, moeten extreem zuinig omgaan met energie. Een van de grootste energieverbruikers is het omzetten van fysieke signalen (zoals temperatuur, licht of beweging) naar digitale data. Dit proces heet analoog-naar-digitaal omzetting en vormt een belangrijke uitdaging voor IoT-toepassingen.

Bindra richtte zich niet alleen op dit omzettingsproces, maar ook op de energie die de sensor continu verbruikt om het signaal naar de omzetter te sturen. Beide stappen kosten veel energie, maar worden vaak over het hoofd gezien. Bindra's ontwerp verlaagt het energieverbruik voor beide processen drastisch: tot wel drie keer zuiniger dan de meest efficiënte schakelingen die er al waren. Het energieverbruik is nu minder dan één picojoule (1 biljoenste van een joule) per omzettingsstap.

Deze verbetering betekent dat sensoren in IoT-apparaten jarenlang kunnen werken op een kleine batterij, zonder dat ze vaak vervangen hoeven te worden. Bindra’s werk draagt daarmee niet alleen bij aan betere technologie, maar ook aan een duurzamere toekomst waarin apparaten efficiënter met energie omgaan.


Illustratie van een energiezuinige analoog-naar-digitaal omzetter