Inhoudsopgave
    

Elektro-obsessie: chip-pionier Bram Nauta
Laurens Lammers
door Laurens Lammers
leestijd: 8 min

Als jongetje was hij gefascineerd door elektronica. Chipontwerper en uitvinder Bram Nauta is het nog steeds. Zijn grootste vondst? Een schakeling die wordt gebruikt in miljoenen apparaten en die zijn naam kreeg.

Hij weet precies wat er allemaal in een smartphone zit. Letterlijk miljarden onderdeeltjes, waaronder minuscuul kleine schakelingen, transistors en draadjes. Het zijn onmisbare bouwstenen van minuscuul kleine chips, die onder zijn supervisie worden ontworpen aan de Universiteit Twente binnen de vakgroep Integrated Circuit Design. Het doel van Bram Nauta (52), hoogleraar elektrotechniek, chiparchitect en oud-winnaar van de Simon Stevin Meester-prijs, is het perfectioneren van chips door steeds betere schakelingen hierin te bouwen. Samen met zijn groep ontwerpers staat Nauta zo dagelijks aan de basis van steeds snellere en zuinigere computers, smartphones en draadloze communicatie. 

Knutselen met ingewikkelde elektronica: voor Nauta is het gewone kost. Als klein jongetje was hij er al veel mee bezig. "Ik was als jongetje erg handig", zegt Nauta. "Ik kon alles wat in mijn hoofd zat met mijn handen maken. Mijn eerste school deed aan experimenteel onderwijs. Alle leerlingen werkten daar in hun eigen tempo en op verschillende niveaus. Je kon bijvoorbeeld in de vijfde klas zitten en dingen doen op het niveau van de vierde of de zesde klas. Een nadeel was dat er geen echte prikkel was om hard te werken, want je deed alles op je eigen niveau. Je kon ook helemaal niet blijven zitten. Als kind moest je verder doen waar je goed in was. Bij mij was dat geen taal of spelling, maar ik was wel heel goed in knutselen."

Na het beëindigen van de lagere school kreeg Nauta als schooladvies LTS aangeraden. De weg naar zijn post als hoogleraar in Almelo en de top van internationale chipontwerpers liep evenwel anders. Hij doorliep de mavo, havo en het vwo en koos vervolgens voor een studie elektrotechniek. Prikkels om - op hoog niveau - hard te werken: als student zou hij ze nog volop krijgen. Zijn eerste grote vondst was een elektronische schakeling, die hij in 1987 in het zwembad bedacht en later gebruikt zou worden in miljoenen mobieltjes, televisies en andere apparaten. Nauta had al zwemmend een uniek stukje hardware ontworpen dat van het Zweedse technologieconcern Ericsson zijn naam kreeg en van groot belang was voor de ontwikkeling van Bluetooth. "Door die ene schakeling heb ik geholpen bij het uitvinden van Bluetooth", zegt Nauta. "Ik dank er bovendien mijn huidige baan als universiteitshoogleraar aan en het leuke werk dat ik nu doe."

U bent van jongs af aan in de weer geweest met elektronica. Hoe is dat ooit zo gekomen?

"Door een goed vriendje van me. Die jongen had een oudere broer die natuurkunde studeerde. Die broer had een schemaatje op een vel papier gezet samen met allerlei onderdeeltjes erbij. Met het vriendje ben ik die onderdeeltjes gaan kopen. Ze hadden allemaal andere kleurtjes, maar ik had geen idee wat het allemaal was. Thuis zijn we de onderdelen in elkaar gaan solderen, precies volgens het schemaatje. En in één keer deed ie het. Ik had als 11-jarige een werkend FM-zendertje gebouwd en kon ineens mijn eigen stem op de radio uitzenden. Ik dacht: wow, dit is absurd! Op dat moment wist ik dat ik later iets met elektronica zou gaan doen. Uiteindelijk ben ik elektrotechniek gaan studeren aan de Universiteit Twente."

U was nog piepjong toen Gordon Moore van Intel constateerde dat het aantal transistors op een chip elke achttien maanden zou verdubbelen, terwijl de kosten van een chip gelijk zouden blijven. Gaat de Wet van Moore nog steeds op?

"Nee, die gaat niet meer op. Transistors worden niet meer kleiner, al probeert Intel dat een beetje onder het tapijt te vegen. Ze worden wel steeds beter. De Wet van Moore gaat nog wel op in de zin van dat je steeds meer kunt rekenen op een chip. En dat dit steeds minder stroom kost. Elke nieuwe smartphone is nu ook sneller en zuiniger dan zijn voorganger. Maar je hoeft transistors niet meer kleiner te maken om ze beter te maken, zoals vroeger."  

Een 3D-computertekening van een klein stukje chip ontworpen door de vakgroep IC Design. NB: de rode streepjes onderin zijn twintig nanometer klein!
Een 3D-computertekening van een klein stukje chip ontworpen door de vakgroep IC Design. NB: de rode streepjes onderin zijn twintig nanometer klein!

U heeft twee keer voor baanbrekend werk gezorgd in de ontwikkeling van chips. De eerste keer was in 1987. U heeft toen een schakeling 25x sneller gemaakt door er onderdelen uit te slopen. Het idee hiervoor kreeg u tijdens het zwemmen. Hoe wist u in het zwembad dat uw ontwerp goed was?

"Dat was wel grappig. Ik dacht iets te hebben uitgevonden dat zou gaan werken: een snelle elektronische schakeling voor het filteren van signalen. Het idee om er een heleboel draadjes uit te slopen, kreeg ik in het zwembad. Daarmee kon ik vertragingen in de verbindingen oplossen. Maar ik dacht ook: als ik er veel dingen uit weghaal, blijft er niets meer over. Tijdens het zwemmen bedacht ik me. Waarom zou het niet werken? Achter mijn bureau was ik helemaal opnieuw begonnen met uitvinden. Tijdens het zwemmen bleef ik echter dromerig dingen weghalen. Alle nadelen werden in mijn hoofd opgeheven. En ineens dacht ik: het kan wel! Ik ben meteen het bad uitgeklommen en naar de badmeester gegaan. Op een stukje krant heb ik vervolgens met een natte pen de schakeling getekend. Thuis op de computer bleek hij ook inderdaad te werken."

Doet u nog steeds belangrijke ontdekkingen tijdens het zwemmen?  

"Ik ga nog altijd elke dag zwemmen. Maar niet om steeds een grote vondst te doen. Ik vergader veel, dus om te bewegen ga ik vaak zwemmen. Als ik iets nieuws bedenk, is dat vaak ook in het zwembad. Maar ik bedenk ook dingen tijdens het douchen of fietsen. Als ik een probleem tegenkom waar ik niet direct uitkom, moet ik ook even iets heel anders gaan doen om er wel uit te komen. Desnoods ga je houthakken. Bij mij werkt dat heel goed."

U heeft nooit patent aangevraagd op de schakeling die van Ericsson uw naam kreeg en later in miljoenen apparaten werd gebruikt. Waarom niet? Het zou u steenrijk hebben gemaakt.

"De schakeling is ook in al die apparaten toegepast omdat er geen patent op zat. Door het niet te patenteren heeft Ericsson het kunnen gebruiken. Het kostte het bedrijf namelijk niets. Daardoor werd de Bluetooth-standaard op de eigenschappen van mijn schakeling gebaseerd. Ik heb het trouwens wel geprobeerd om een patent op mijn vinding te krijgen. Maar de aanvraag daarvoor was heel duur en ik had helemaal geen geld. Ik heb ook Philips nog gevraagd om de schakeling te patenteren. Maar daar vonden ze hem niet belangrijk genoeg. Toen dacht ik: dan zal mijn schakeling ook wel niets zijn. Pas later hoorde ik dat deze massaal in allerlei elektronische apparaten werd toegepast."

U bent tegenwoordig ook een groot voorstander van open innovatie. Uw basiskennis en uitvindingen zijn dus altijd gratis beschikbaar voor iedereen?

"Klopt. Voor uitvindingen die we doen vragen wij geen patent aan. Behalve voor bedrijven die interesse hierin hebben. Dan kan het bedrijf ook meebetalen aan het patent. Wordt er geen patent aangevraagd, dan publiceren we ons onderzoek gewoon. Uiteindelijk komt dat de maatschappij ook ten goede. Ons doel is dat een uitvinding wordt toegepast, niet om daar geld aan te verdienen."

Een door IC Design ontworpen chip gezien door de microscoop.
Een door IC Design ontworpen chip gezien door de microscoop.

Uw tweede grote vondst deed u samen met uw medewerkers van de vakgroep IC Design in 2001. Dat was een schakeling voor zogenaamde noise cancelling. Daarmee werd het mogelijk om ruis in gps, gsm, Bluetooth, Wifi en 3G-verbindingen te onderdrukken. Met de vondst zette u uw vakgroep op de internationale kaart. Hoe belangrijk was deze schakeling?

"Heel belangrijk. De schakeling wordt nu vooral toegepast in versterkertjes die zwakke antennesignalen versterken. Mobiele telefoons, Bluetooth en Wifi pikken allemaal via hun antennes kleine signalen op uit de lucht. Die signalen moet je echter groter maken om er iets mee te kunnen doen. Bijvoorbeeld door ze te versterken met een kleine schakeling. Die schakeling voegt echter ook ruis toe. Als je niet oppast, is deze ook sterker dan het signaal zelf. Vergelijk het met een cassettebandje waar net zo hard ruis als muziek uit klinkt. Door onze vinding wordt die ruis nu gedoofd en het signaal zelf versterkt op elke frequentie." 

Grote 'eureka-momenten' lijken bij u één keer in de vijftien jaar voorbij te komen. Als ik het goed heb, moet u er rond deze tijd weer eentje krijgen. Klopt dat?

"Haha, ja, dat klopt. Een tijdje geleden heb ik er ook weer eentje gehad. Dat is ook nog niet echt in de pers gekomen. Het betreft een filter dat heel scherp filtert en uit een heleboel radiofrequenties één frequentie kan halen. Daarmee voorkom je dat andere, nabijgelegen frequenties storen op de ontvangst. Zo kun je voortaan bellen zonder dat je signaal wordt overstemd door het signaal van een telefoon naast je. Dat laatste signaal komt dan niet eens bij je binnen. Het filter is ook makkelijk verstembaar, waardoor het heel flexibel allerlei verschillende frequenties kan filteren. Een gewoon ouderwets filter is een soort stemvork die maar bepaalde toonhoogtes kan maken. En voor elke toon heb je een andere stemvork nodig. Dit filter is een soort trombone die alles aan kan en makkelijk is te verstemmen. We zijn nu bezig om het nog verder te perfectioneren. We noemen het een N-Padfilter."

In uw werk houdt u zich ook bezig met interferentieproblemen. Hoe gaat u die oplossen?

"Daar werk ik hard aan. Dat N-Padfilter kan nu al veel storingen wegfilteren. Maar we werken ook aan bundelvorming. Mensen moeten signalen van netwerken kunnen gaan ontvangen in een soort bundel van antennes. In plaats van één antenne, ga je dan een heleboel antennes gebruiken. Op een gewone smartphone is daar niet zoveel plek voor. Maar in broodroosters, koelkasten, magnetrons en auto's weer wel. Vooral voor het Internet of Things kun je deze bundels gaan maken, waardoor je veel minder gevoelig wordt voor storingen. Het zal ook hard nodig zijn. Als alles straks aan het internet komt te hangen, krijg je veel teveel zenders en ontvangers. Dan kun je helemaal niks meer."

Waarom vreten smartphones en tablets eigenlijk nog steeds zoveel stroom? Zelfs dure telefoons moeten elke nacht aan de lader. Kunnen nieuwe chips deze apparaten nog zuiger maken?

“Dat komt vooral door alle draadloze communicatie die heel veel stroom trekt. We willen allemaal heel snel internetten, dat vreet stroom. Ik heb wel eens uitgerekend dat als je nu een iPhone 5s zou bouwen met onderdeeltjes uit de jaren zestig dat het apparaat net zo hoog wordt als de Eiffeltoren. Dan heeft elk component zoveel stroom nodig dat je een kerncentrale nodig hebt om de iPhone te laten werken. De smartphone zou bovendien een miljoen keer trager zijn. Dus eigenlijk is dat wat wij in onze broekzak hebben zitten een waanzinnige supercomputer uit de jaren zestig. Als je verder weet dat er miljarden onderdeeltjes in een smartphone zitten, is het ook best wel knap dat de batterij nog een dag meegaat.”

Zo groot zou de iPhone 5s zijn indien deze was gemaakt met onderdelen (losse transistors) uit de jaren zestig.
Zo groot zou de iPhone 5s zijn indien deze was gemaakt met onderdelen (losse transistors) uit de jaren zestig.

Met LoRa is een totaal nieuwe technologie erbij gekomen voor het bouwen van een draadloos netwerk voor energiezuinige apparaten zonder 3G, Bluetooth of Wifi. LoRa is daarbij snel landelijk dekkend te maken en kost niets. Gaat LoRa de grote gangmaker worden van het internet of things?

"Dat zou best eens kunnen. Die technologie is vooral handig voor dingen die heel weinig informatie verzenden, maar waarvan je wel wilt weten hoe het zit. LoRa kan bijvoorbeeld heel goed dienen op plekken waar je weinig infrastructuur hebt. Zo kan het netwerk gaan vertellen waar lantaarnpalen stuk zijn of binnenkort stuk gaan. Dan kun je alvast lampen gaan vervangen. In plaats van alle lampen, hoef je er dan ook maar een paar te vervangen. Zo kun je heel veel geld besparen. Plantsoenen kunnen verder laten weten wanneer ze gesnoeid moeten gaan worden of waar hondenpoep ligt. Ik zeg maar iets belachelijks. Vooral daar is LoRa goed voor. Zo'n langzaam netwerk heb je ook gewoon nodig naast netwerken voor supersnel internet, zoals 3G of 4G."

Hoe ver zijn we volgens u met het Internet of Things of het verbinden van elektronische apparaten en sensoren met internet?

"Het begint nu wel op te komen met dingen als smartwatches, hartslagmeters en slimme schoenen met ingebouwde druksensoren. En met smarthomes niet te vergeten. Ook in de logistiek zie je allerlei ontwikkelingen. Bijvoorbeeld voor bloemen of pakken melk waar je een chip in kunt stoppen om te weten of het allemaal nog vers is. Als je een barcode op een papiertje vervangt door een chip moet dat echter niet duurder gaan worden. Wat ik nog wel mis zijn echt goede toepassingen. Voor het Internet of Things bestaan nog geen killerapplicaties. Zo'n Nest, waarmee je je thermostaat kunt regelen via internet, vind ik eerlijk gezegd nogal slapjes. Smartphones werden pas echt populair door Facebook en WhatsApp. Zulke killer apps zijn er nog niet voor het Internet of Things. Er zijn nog geen toepassingen waarmee je je geld kunt terugverdienen of waar je meer vrienden door krijgt of vrolijker van wordt."

Auteur

Laurens Lammers is freelance journalist en schrijft veel over internettechnologie, internetcultuur en beginnende internetbedrijven.