Kameleonchip

De industrie concentreert zich steeds meer op pc-chips die telkens opnieuw geprogrammeerd kunnen worden en toch weinig energie gebruiken. acm's zijn nog niet zo flexibel als normale processoren, maar komen in de buurt.

Het lijkt sciencefiction, maar het zou al binnen enkele jaren gemeengoed kunnen zijn: apparaten die in een mum van tijd van functie kunnen veranderen: het ene moment een mobiele telefoon, het andere moment een radio of mp3-speler. Op reis naar de Verenigde Staten of Japan met een Europese gsm? Geen nood, de mobiele telefoon past zich automatisch aan alle telecommunicatiestandaarden aan. In de toekomst kan met het mobieltje eindelijk overal in de wereld worden gebeld.

Op dit moment zijn dergelijke multifunctionele apparaten moeilijk te realiseren. Voor iedere functie en voor elke frequentie moet namelijk een aparte chip worden ingebouwd. En aangezien processoren flink wat stroom verbruiken raken de batterijen snel leeg. Dat is niet het enige dat fabrikanten van mobiele telefoons en aanverwante apparaten frustreert. Telkens als de industrie een nieuwe standaard introduceert, zoals onlangs GPRS (een gsm-variant met hogere datasnelheden), moet men al gauw negen maanden op nieuwe producten wachten. Liever gebruiken fabrikanten chips die voor iedere functie kunnen worden aangepast, zodat het apparaat zelf niet vervangen hoeft te worden.

Op dit moment wordt in mobiele telefoons gebruik gemaakt van zogenoemde ASIC's, chips die eigenlijk maar één kunstje (goed) kunnen. De instructies voor deze chip zitten in de hardware ingebakken. Sommige ASIC's beschikken over een ROM-geheugen, waardoor de instructies aan de hardware kunnen worden aangepast, maar de functionaliteit kan daardoor niet gewijzigd worden. ASIC's bieden dus weinig flexibiliteit. Maar omdat de instructies met de hardware zijn meegebakken, leveren ze uitstekende prestaties.

Koken

De chips die in pc's worden gebruikt, CPU (Central Processor Unit) of DSP (Digital Signal Processor), werken anders. Deze chips zijn alleskunners die volledig geprogrammeerd kunnen worden: het ene moment kunnen we er een spelletje mee spelen, het volgende moment kunnen we onze pc als tekstverwerker gebruiken. Nadeel is dat de chips voor iedere toepassing moeten kunnen presteren. Net zoals ook ieder huis moet zijn voorzien van een keuken voor het geval we willen koken, of een slaapkamer voor het geval we willen slapen, zo moet de chip op iedere functionaliteit zijn voorbereid. Een multifunctionele woning zal echter nooit altijd volledig worden benut, toch moeten alle ruimten worden verwarmd, ook als ze niet worden gebruikt. Hoe groter het huis, des te hoger de energierekening. Zo is het ook met chips: hoe meer functionaliteit, des te meer energie er wordt verbruikt. ``Het is alsof je een complete kerstboom laat oplichten, terwijl je soms alleen maar twee lampjes wilt laten branden'', zegt Paul Master, directeur technologie van chipontwerper QuickSilver. Door dat hoge energieverbruik vallen de prestaties vergeleken met ASIC's fors tegen. ``De kunst is om het energieverbruik zoveel mogelijk te beperken'', zegt Jos Huisken van Philips Research.

Om die reden concentreert de industrie zich steeds meer op chips die ergens tussen ASIC's en CPU's in zitten. Het zijn processoren die telkens opnieuw geprogrammeerd kunnen worden, en toch weinig energie verbruiken. Die ontwikkeling begon twintig jaar geleden met de zogenoemde Programmable Array Logic (PAL), chips die hoofdzakelijk worden gebruikt voor de ontwikkeling van prototypes van ASIC's. Tegenwoordig gebruikt men daar de variant Field Programmable Gate Array (FPGA) voor. Zo'n chip bestaat uit logische poorten (schakelaars) die voor specifieke doeleinden tijdelijk geopend of gesloten kunnen worden.

``Als je een chip ontwerpt ben je er niet helemaal zeker van of de algoritmen in de praktijk ook werken'', zegt Jos Huisken van Philips Research. ``Voordat je de instructies in silicium vastlegt, wil je daar eerst eens mee experimenteren. De hoge kosten spelen ook een rol: Maskers voor chipproductie worden per chipgeneratie duurder.'' Hoewel FPGA's tegenwoordig ook wel voor commerciële doeleinden worden gebruikt, is hun capaciteit beperkt en hun energieverbruik nog altijd erg hoog: 10 tot 20 watt. Een nieuwe variant, kameleonchips of Adaptive Computing Machines (ACM), moet daarin verandering brengen. ACM's zijn vergelijkbaar met FPGA's, alleen kunnen de instructies aan de hardware in duizendsten van seconden worden gewijzigd. De chip ontvangt draadloos of via een chipkaart instructies voor specifieke toepassingen. Een apparaat kan daardoor zijn interne architectuur tijdelijk veranderen, zonder dat de hardware daadwerkelijk hoeft te worden aangepast.

ACM's bieden nog altijd niet dezelfde flexibiliteit als normale processoren, maar het is een flinke stap vooruit. Ze presteren beter en verbruiken bovendien minder energie doordat er geen instructies uit een programmageheugen gehaald hoeven te worden. Huisken: ``In een normale pc-chip verbruik je een veelvoud van de energie die je nodig hebt voor het rekenen zelf.''

De oprichters van het Amerikaanse bedrijf QuickSilver ontwikkelden jaren geleden al een programmeerbare hardware voor robots die verschillende taken konden uitvoeren. Deze technologie vormt de basis van de huidige generatie ACM's, die QuickSilver volgend jaar op de markt hoopt te brengen. Bell South, de op een na grootste telecomleverancier in de VS, wil de technologie gebruiken om mobiele telefoons te ontwikkelen die raad weten met alle in de VS gebruikte mobiele telefoniestandaarden. De Amerikaanse markt kent geen universele standaard zoals gsm in Europa, en verschillende aanbieders gebruiken uiteenlopende standaarden die niet uitwisselbaar zijn. Een telefoon die het in New York doet, kan in Houston dienst weigeren. Met flexibele hardware kan dat probleem worden opgelost.

Er zijn allerlei bedrijven en ook universiteiten die naar deze technologie kijken. Aan de Universiteit van Twente werkt men bijvoorbeeld aan zogenoemde Field Programmable Function Arrays (FPFA's) voor beeldverwerking en mobiele apparatuur. Philips ontwikkelt software waarmee programmeerbare hardware beter ontwikkeld kan worden.

Een Amerikaanse bedrijf genaamd Chameleon richt zich exclusief op chips voor basisstations: centrales die gesprekken van mobiele telefoons doorgeven aan het vaste netwerk en omgekeerd. In de toekomst zouden deze stations op afstand geprogrammeerd kunnen worden. Telecomautoriteiten werken bovendien aan een heel nieuw concept dat Software Defined Radio heet. De verwachting is dat er in de toekomst nauwelijks voldoende frequenties zullen zijn voor aanbieders van mobiele telefoniediensten. In plaats van frequentiecapaciteit voor een vaste leverancier te reserveren, zou frequentiecapaciteit straks dynamisch aan gebruikers kunnen worden toegewezen. In feite huurt men voor de duur van een gesprek een deel van het frequentiespectrum. In dat geval zal de mobiele telefoon van meer frequenties gebruik moeten kunnen maken en zich snel moeten kunnen aanpassen. Hetzelfde geldt voor de basisstations.

Licenties

Volgens Paul Master van QuickSilver lenen ACM's zich met name voor toepassingen als UMTS, het toekomstige breedbandige mobiele netwerk (G3). ``Telecombedrijven hebben miljarden uitgegeven voor licenties, maar ze weten nog amper wat ze er mee willen doen. Dan is het handig als je de functionaliteit van de apparaten snel kunt aanpassen.'' Mobiele apparaten zouden dank zij deze chips ook veel meer uiteenlopende toepassingen kunnen herbergen. Zo zou een apparaat het ene moment als mp3-speler en het volgende moment als radio-ontvanger kunnen fungeren. ``Je zou straks een chipkaart kunnen kopen, die in je mobiele telefoon stoppen en het apparaat voor een nieuwe standaard kunnen opwaarderen'', zegt Jos Huisken van Philips Research. Theoretisch zou de consument zijn telefoon dus nooit meer hoeven te vervangen, maar Huijsken denkt dat het zo'n vaart niet zal lopen. ``Tussen gsm en UMTS zit nog altijd een wereld van verschil. Dan heb je toch krachtiger processoren nodig.''