In dit blogbericht onderzoeken we hoe smartphones zich hebben ontwikkeld tot computers in de palm van je hand, en welke technologische innovaties en uitdagingen daarbij kwamen kijken.
In 2025 begint onze dag met een smartphone, waarop we naar nieuws zoeken of berichten op sociale media checken. Tijdens de werkdag gebruiken we onze smartphones om te werken, games te spelen, te chatten en te ontstressen. Als we thuiskomen, hebben we onze telefoons nog steeds bij ons en vallen we met ze aan onze zijde in slaap. Over de hele wereld kunnen mensen niet zonder hun smartphones. Deze diepe integratie in ons dagelijks leven heeft ervoor gezorgd dat smartphones meer zijn dan alleen een communicatieapparaat; ze zijn essentiële hulpmiddelen geworden voor toegang tot informatie, sociale netwerken, entertainment en winkelen. Vooral sinds de COVID-19-pandemie, nu werken op afstand en online leren steeds gebruikelijker zijn geworden, is onze afhankelijkheid van smartphones toegenomen. Hoewel de aanwezigheid van smartphones het gemak van ons leven heeft gemaximaliseerd, heeft het ook geleid tot minder directe communicatie tussen mensen en een overvloed aan informatie.
De belangrijkste reden waarom smartphones zo populair zijn geworden, is dat ze het meeste kunnen doen van wat een computer op een klein apparaat kan doen. Het is alsof u een computer in de palm van uw hand heeft. Als je bedenkt dat de eerste computer ter wereld, de Aniak, gebouwd in 1946, een ton woog en groot genoeg was om een hele kamer in een laboratorium in beslag te nemen, kun je een idee krijgen van hoe ver we in ongeveer 70 jaar zijn gekomen. Er zaten veel technologische innovaties achter de evolutie van deze grote computers tot het formaat van de hedendaagse smartphones, maar welke technologieën hebben het mogelijk gemaakt om “kleine computers” zoals smartphones te ontwikkelen en deze voor veel mensen toegankelijk te maken?
Om een computer te realiseren heb je allereerst een circuit nodig dat informatie kan opslaan en verwerken. Hiervoor zijn halfgeleiderapparaten nodig, die voornamelijk uit silicium bestaan. Halfgeleiders bevinden zich tussen geleiders die elektriciteit goed geleiden en niet-geleiders die elektriciteit niet goed geleiden, en hun eigenschappen variëren sterk afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. Door halfgeleiders met elkaar te verbinden waarvan de eigenschappen veranderen afhankelijk van de omstandigheden, kan een circuit worden geïmplementeerd om een computer te creëren die verschillende taken kan uitvoeren, afhankelijk van de omstandigheden. In het geval van de eerder genoemde Aniak werd de computer gebouwd met behulp van halfgeleiders die vacuümbuizen worden genoemd. Omdat vacuümbuizen echter zo groot waren, moesten computers ook groot zijn. In 1947 werd echter een halfgeleider genaamd de transistor uitgevonden, die een revolutie teweegbracht in het circuitontwerp. Vóór de uitvinding van de transistor werden circuits gerealiseerd door verschillende apparaten, waaronder halfgeleiderapparaten, met elkaar te verbinden met behulp van koperdraden, maar na de uitvinding van de transistor werden circuits gerealiseerd door verschillende apparaten op een klein substraat te combineren, zodat ze niet van elkaar konden worden gescheiden. De introductie van transistors maakte de weg vrij voor computers om kleiner en efficiënter te worden.
Omdat ze geïntegreerd kunnen worden, worden de resulterende circuits geïntegreerde circuits genoemd. Geïntegreerde circuits konden de betrouwbaarheid en levensduur verbeteren ten opzichte van traditionele circuits, en het onderzoek ging door. Vooral in de jaren 1960 ging de vooruitgang in halfgeleidertechnologie snel. In 1962 werd de MOSFET ontwikkeld, die de manier waarop geïntegreerde circuits werden ontworpen drastisch veranderde. Hoewel MOSFET's als zelfstandige apparaten kunnen worden vervaardigd, is hun belangrijkste voordeel dat ze gespecialiseerd zijn in het ontwerp van geïntegreerde circuits. MOSFET's worden gemaakt door metalen te bevestigen aan een siliciumsubstraat, het hoofdonderdeel van een halfgeleider, en de delen van het substraat af te schaven die niet nodig zijn. Het proces van het tekenen van de gebieden op het substraat die MOSFET's zullen zijn, het verbinden van de metalen en het afschuren van de gebieden die niet nodig zijn, resulteert in een circuit met MOSFET's die zijn verbonden met de metalen. Dit proces leidde tot moderne microprocessingtechnologie, die het mogelijk maakte om complexere en geavanceerdere circuits te realiseren. Veel mensen verwijzen naar circuitontwerp als schematisch ontwerp omdat het circuit op een bord wordt getekend en vervolgens wordt verwerkt om het circuit te creëren. Het voordeel van dit type circuitontwerp is dat er veel kopieën van hetzelfde circuit tegelijk gemaakt kunnen worden, net als bij het tekenen van een plaatje en het maken van meerdere kopieën. Massaproductie werd mogelijk.
We kunnen niet over de ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen praten zonder de wet van Moore te noemen. In 1965 voorspelde Gordon Moore, de oprichter van Intel, dat het aantal MOSFET-apparaten in een geïntegreerd circuit, of de dichtheid, elke 18 maanden zou verdubbelen. Dit komt overeen met de halvering van de grootte van MOSFET-apparaten elke 18 maanden. Terwijl ingenieurs die halfgeleiderapparaten ontwikkelen naar de wet van Moore kijken in termen van vermindering van de apparaatgrootte, hebben circuitontwerpers het geïnterpreteerd in termen van circuitintegratie. Deze voorspelling, die iedereen met vragen achter de oren deed krabben, is 50 jaar lang standgehouden en geïntegreerde schakelingen hebben grote stappen gemaakt. Verdubbeling van de dichtheid betekent dat 18 maanden later hetzelfde circuit twee keer zoveel kan doen. Bovendien kan een circuit dat 18 maanden later hetzelfde doet, worden geïmplementeerd in de helft van de grootte als de dichtheid verdubbelt. Deze wet was de belangrijkste motor van technologische vooruitgang in de halfgeleiderindustrie tot het begin van de 21e eeuw. Het maakte tegelijkertijd miniaturisatie mogelijk. Hierdoor werden computers steeds kleiner en in de jaren 2010 werden smartphones geboren.
De miniaturisatie van MOSFET's, de toename van de dichtheid van geïntegreerde schakelingen en de vooruitgang van procestechnologie hebben massaproductie mogelijk gemaakt, waardoor smartphones voor iedereen toegankelijk zijn geworden. In de afgelopen jaren hebben ingenieurs echter betoogd dat MOSFET-apparaten al klein genoeg zijn dat verdere miniaturisatie moeilijk is, en sommige mensen staan sceptisch tegenover miniaturisatie vanwege het toenemende stroomverbruik door de toename van het aantal apparaten. Ingenieurs die al tientallen jaren geïntegreerde schakelingen ontwikkelen, streven echter op verschillende manieren naar vooruitgang. Onderzoekers modelleren bijvoorbeeld de neuronen van de menselijke hersenen, die veel berekeningen kunnen uitvoeren terwijl ze weinig energie verbruiken, en proberen ze op te nemen in geïntegreerde schakelingen. Dit gebied van neuromorfische engineering heeft het potentieel om niet alleen te worden gebruikt in smartphones, maar ook in kunstmatige intelligentie (AI), autonoom rijden en gezondheidszorg. Als dit onderzoek doorgaat, zouden we draagbare computers of computers kunnen zien die in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd, wat momenteel als onmogelijk wordt beschouwd. Verwacht wordt dat deze innovaties niet alleen ons dagelijks leven, maar ook de samenleving als geheel zullen revolutioneren. Wie had 50 jaar geleden kunnen bedenken dat wij ooit een computer in onze handen zouden hebben?
