Onder de motorkap van je smartphone

Smartphone kapot of slechte verbinding? Pas als het niet werkt zoals het hoort, zijn we ons ervan bewust hoe afhankelijk we zijn geworden van de spitstechnologie in onze broekzak. Werp een blik onder de motorkap van je smartphone en laat je verbazen over het technologische stuntwerk dat schuilgaat achter een toestel dat we zonder nadenken dagelijks gebruiken.

Tot 196 antennes op de oppervlakte van een vingernagel

Een antenne is essentieel om draadloze signalen met de buitenwereld uit te wisselen. En je smartphone heeft er een heel aantal van. Op dit moment vind je typisch een zestal antennes terug in je smartphone. Twee tot vier ervan dienen om de vele frequentiebanden lager dan 6GHz voor 4G/5G aan te kunnen. Bovendien zorgen ze voor een meer betrouwbare verbinding en helpen ze om hogere datasnelheden te halen. Verder vind je ook nog antennes voor Wi-fi, Bluetooth, GPS... Deze antennes nemen typisch heel wat plaats in je smartphone.

Met de opkomst van nog hogere frequenties voor 5G (zogenaamde millimeter wave frequenties; bv. 28GHz) zal dit aantal verder toenemen met meerdere groepjes van vier antennes, maar wel op een zo klein mogelijke oppervlakte. Elk groepje neemt maar een oppervlakte in van een vierkante centimeter. En ze bevinden zich op verschillende plaatsen in je smartphone. Zo zorgen ze ervoor dat er zowat altijd verbinding gemaakt kan worden, ook als je met je handen of met een voorwerp een van de antenne-groepjes afschermt.

Binnen enkele jaren zal je smartphone met 6G zelfs meer dan honderd antennes bevatten op een oppervlakte kleiner dan een vingernagel. Elke antenne zal dan kleiner zijn dan een vierkante millimeter.

Dat komt omdat we steeds hogere frequenties nodig hebben om de grotere hoeveelheden data binnen te halen, bijvoorbeeld om in fracties van een seconde hoge-resolutiebeelden te streamen of downloaden. Hoe hoger de frequenties, hoe kleiner de antennes zijn. En tegelijk toch heel efficiënt, goedkoop en met voldoende bereik.

De toren van Babel als radiochip

Te veel mensen die een verschillende taal naast elkaar spreken: bij de bouw van de toren van Babel ging het mis. Maar in je smartphone kan het zonder ogenschijnlijke problemen. Wi-Fi, Bluetooth, NFC, 2G, 3G, 4G, 5G, DAB, UWB… zijn allemaal communicatiestandaarden (noem het ‘talen’) waarmee je smartphone gegevens kan uitwisselen en die naadloos door elkaar heen ‘praten’. Het is ooit wel anders geweest. In de beginjaren van de mobiele telefoon was voor zowat elke standaard een afzonderlijke chip nodig, plus alle bijhorende randcomponenten zoals weerstanden en filters. Omdat het volume in een mobiele telefoon beperkt is, moesten fabrikanten toen kiezen of ze hem bijvoorbeeld uitrusten met een FM-radio of voorrang gaven aan een andere functionaliteit. Inmiddels zitten veel meer van die functionaliteiten op een kleiner aantal microchips en maakt het op dat vlak niet meer uit hoeveel standaarden er bestaan en nog zullen bijkomen.

Toch is dit alles verre van evident. Elke communicatie gaat namelijk gepaard met het zenden, ontvangen, filteren en bewerken van elektromagnetische golven. En zoals het voor hoofdpijn kan zorgen als iedereen door elkaar gaat praten in een overvolle ruimte, bezorgt het ook ingenieurs kopzorgen om al deze communicatiestandaarden te kunnen aanbieden zonder dat de golven die ze produceren elkaar in de weg gaan zitten.

De oplossing hiervoor zit in een uiterst complexe combinatie van software en hardware, waarbij filtering een heel belangrijke rol speelt. Goede filters halen alle ruis uit de wirwar aan golven en laten enkel de relevante signalen door. Om een idee te geven: voor bepaalde frequentiegebieden zijn wel vijftig verschillende filters nodig om alle communicatiebanden correct op te splitsen. Bij goedkopere elektronica durft dat weleens misgaan, dus als je problemen ervaart met ontvangst van WiFi in de buurt van een microgolfoven, zou dat weleens de oorzaak kunnen zijn.

Een chemische fabriek in je broekzak

Volgens een studie uit 2020 is voor consumenten de levensduur van de batterij na de kwaliteit van de display het belangrijkste argument bij de aankoop van een smartphone. De voorbije jaren zijn dan ook veel inspanningen geleverd om steeds krachtigere telefoons een dag of langer te laten werken op een batterijlading. Maar batterijtechnologie onder de motorkap van een smartphone is een van de moeilijkste domeinen om technologische vooruitgang in te boeken. Daarom wordt dan ook niet alleen gefocust op de ontwikkeling van efficiëntere batterijen , maar ook op de ontwikkeling van extreem zuinige elektronica. Daarnaast zijn smartphonebatterijen ook groter geworden. Telefoons worden met andere worden niet alleen groter vanwege het beeldscherm, maar ook om er een grotere batterij in onder te kunnen brengen.

Toch is er al heel wat vooruitgang geboekt in batterijtechnologie. Sinds de introductie van de lithium-ion batterij in 1992 zijn dit type batterijen bijna vier keer krachtiger geworden. Dus, ook als je met de huidige technologie een batterij zou maken voor een gsm-toestel uit 1992, zou je het vier keer langer kunnen gebruiken voor je weer moet opladen.

Maar waarom is batterij-innovatie zo moeilijk en wat zijn de elementen waar onderzoekers en ingenieurs aan sleutelen? Belangrijk om weten is dat je batterij een delicaat reactievat is van chemische reacties. Dat merk je als er een keer iets misloopt en er een spontaan ontbrandt.  Als dit het gevolg is van ontwerp- of fabricagefouten (en niet van verkeerd gebruik), haalt dat ook meteen het nieuws. Maar dat het nu eenmaal een keer kan mislopen, komt in perspectief als je de vergelijking legt met een chemische fabriek. Telkens er daar een belangrijke aanpassing is aan een productiestap, moeten ook alle aanpalende processen herbekeken worden en ben je bijna de hele productielijn aan het herontwerpen. Bij batterijen is dat niet anders.

Een van de onopgeloste uitdagingen is om een batterij te maken waarin geen vloeistof nodig is om de elektrisch geladen deeltjes van a naar b te laten bewegen: de zogenaamde vaste-stofbatterij. Zuiver lithium zou de ultieme energieopbrengst opleveren, maar dit is extreem reactief en verdraagt (haast) geen contact met vloeistoffen. Daar moeten ingenieurs dus nog een oplossing voor vinden. In tussentijd zoeken batterijtechnologen ook naar verbeteringen voor de kathode. Zo wordt meer nikkel geïntroduceerd om de energiedichtheid van de kathode te verhogen. Maar omdat meer nikkel in de batterij het materiaal onstabieler maakt, moet voor de veiligheid bijvoorbeeld meer mangaan of aluminium toegevoegd worden. Om de energieopbrengst verder te verhogen, wordt silicium toegevoegd aan de grafiet anode. Maar omdat silicium gemakkelijk verpulvert tijdens opladen en ontladen, kan dat vandaag nog maar in een beperkte hoeveelheden. Kortom: een complexe puzzel met veel variabelen die invloed hebben op elkaar.

Ook zit een belangrijk deel van de innovatie in het bufferen en in goede banen leiden van al deze materialen en hun onderlinge reacties. Beschouw het als de ‘stewards’ in de metro in Japan: op het moment dat iedereen denkt dat de metro vol zit, duwen zij er toch nog extra mensen in. En hoewel dat eerst voor veel druk en opstopping zorgt, gaan mensen doorschuiven en passen er uiteindelijk meer passagiers in dan oorspronkelijk gedacht. Bij batterijen zijn er daarom ook op een slimme manier fysieke en chemische buffers ingebouwd om het maximum uit de batterij te halen zonder dat het qua warmteontwikkeling uit de hand loopt.

Je smartphone ziet wat jij niet ziet en het is… infrarood

Voor sommige mensen is het geen verrassing, maar de meeste gebruikers zijn zich er niet van bewust dat je smartphone ‘onzichtbaar licht’ (infrarood) projecteert en kan detecteren. Een van de handigheidjes daarvan is dat je het kan gebruiken om te kijken of je afstandsbediening nog werkt. Richt de camera van je smartphone op het uiteinde van je afstandsbediening en zodra je op een knopje op je afstandsbediening drukt, zie je op je smartphone het infrarood signaal oplichten dat met het blote oog niet zichtbaar is.

De reden waarom je smartphone camera dit kan, is natuurlijk niet om de batterijen van je afstandsbediening te controleren. Wel voor toepassingen zoals gezichtsherkenning en augmented reality (AR). Hiervoor heeft je smartphone zelfs een infrarood-projector. Deze projecteert een (onzichtbaar) raster op je gezicht of op de omgeving en door de reflecties op te vangen met de infraroodcamera kan de telefoon een beeld vormen van wie je bent.

Deze toepassing wordt ook wel LiDAR genoemd (light detection and ranging) en is vergelijkbaar met radar, maar dan met infrarood licht in plaats van geluid. Je vindt het ook in auto’s ter ondersteuning van rijhulpsystemen. Verder zijn er speciale smartphones of accessoires die ook warmtebeelden maken zoals bij nachtkijkers en bewakingscamera’s. Voorlopig richten deze zich vooral op gebruik in de industrie, waar ze bijvoorbeeld helpen bij het opsporen van lekken of productiefouten.

Al deze functies in een kleine chip in je smartphone krijgen is verre van evident. Zo moeten er lenzen, filters en andere extra functies gebouwd worden boven op de transistoren die het beeld moeten uitlezen. Dat gebeurt bij hoge temperaturen en in contact met chemicaliën. Dit moeten chip-bouwers tot een goed einde brengen zonder dat het onderliggende circuit beschadigd raakt. Het mag niet verbazen dat daar heel wat proceskennis en materiaalonderzoek bij komt kijken.

Een display waar je doorheen kan kijken en tegelijk ook niet

Het is je ongetwijfeld al opgevallen: de randen rond smartphoneschermen worden steeds smaller of verdwijnen helemaal. Maar waar blijf je dan met je selfie-camera? Bij veel smartphones is de kleine uitsparing voor deze front camera nog het laatste stukje dat fabrikanten ervan weerhoudt om het scherm te volledige voorkant van je smartphone te laten bedekken. Toch kan het – voorlopig enkel bij topmodellen - al anders: een camera die verborgen zit achter het scherm. En dat klinkt toch wat paradoxaal. Een camera moet namelijk licht naar binnen krijgen. En dat moet dan eerst een display trotseren die licht naar buiten straalt. De oplossing? Een display die zoveel mogelijk transparant is en toch zelf ook beelden kan weergeven.

De methode om dit met de beste kwaliteit te doen, is om onder het glas van de display kleine gaatjes te open te laten tussen de lichtgevende pixels. Geen evidentie, want het aantal pixels is gigantisch en hun omvang en onderlinge afstand slechts enkele micrometers. Maar dankzij slimme technieken kan dat. Weliswaar voorlopig nog met kwaliteitsverlies in de display en via een relatief duur en complex proces. Daarom hebben bestaande telefoons met deze oplossing een klein extra beeldschermpje dat de grootte heeft van de cameralens en erboven wordt ingebouwd in de grotere display. Of kleine gebieden in de display die toelaten om er een optische sensor voor vingerafdrukken achter te plaatsen. Het zijn elegante oplossingen die enkel zichtbaar zijn voor wie er aandachtig op is.

In de toekomst zullen er echter betere oplossingen komen, bijvoorbeeld gebaseerd op lithografietechnieken waarmee nanometerstructuren op computerchips worden gemaakt. Hierdoor zal de hele display ‘transparant’ gemaakt kunnen worden zonder merkbaar kwaliteitsverlies. Op dat moment kunnen cameralenzen op eender welke plaats geplaatst worden. Bijvoorbeeld in het midden van je scherm zodat het makkelijker is om recht in de lens te kijken bij selfies of videogesprekken.

De meest krachtige processoren aan een tiende van het energieverbruik

15,8 miljard transistoren en extreem dunne metaal’draadjes’ (die samen enkele duizenden kilometer lang zijn als je ze allemaal achter elkaar zou leggen) om al deze transistoren aan elkaar verbinden: zo ziet de binnenkant van de processor eruit in de meest krachtige smartphones. Deze zijn, met tot 15,8 triljoen(*) bewerkingen per seconde, zodanig krachtig dat gaming pc’s er haast jaloers van worden. Maar nog verbazingwekkender is dat ze hun uitmuntende prestaties combineren met een extreem laag energieverbruik. Namelijk minder dan tien Watt, waar processoren in gaming pc’s tot enkele honderden Watt kunnen verbruiken. Wat niet alleen een rol speelt bij het batterijverbruik, maar ook bij warmteproductie. Vergelijk het met de opkomst van LED in plaats van gloeilampen. In pc’s zitten ventilatoren om je processor af te koelen, maar in de smartphone in je broekzak is dat geen optie.

Maar hoe doen ze dat dan? Door op een slimme manier op één chip een heel aantal kleine processoren te combineren tot een grote rekeneenheid. De taken die je met je smartphone uitvoert veranderen namelijk van moment tot moment. Een video streamen in hoge resolutie vraagt een veelvoud van de rekenkracht van een eenvoudig telefoongesprek of tekstbericht. Daarom is de chip opgedeeld in kleinere ‘gebiedjes’ die elk een processor op zich zijn en specifieke taken kunnen uitvoeren. Naar gelang wat je aan het doen bent, schakelen meerdere van deze gebiedjes aan of uit. De processor in je smartphone draait dan ook zelden of nooit op volle kracht.

Dit lijkt allemaal eenvoudig, maar is dermate slim dat de processoren die momenteel in smartphones te vinden zijn ook op de radar komen van de fabrikanten van laptops, pc’s en zelfs servers. Want, hoewel deze minder of niet afhankelijk zijn van batterijen voor hun stroomvoorziening, wordt het onder controle houden van het energieverbruik en de daarmee gekoppelde warmteproductie toch ook voor deze toepassingen steeds belangrijker.

(*) Dat is 15.800.000.000.000.000.000.

Een archiefkelder met tot duizend verdiepingen

Met een opslagcapaciteit tot meer dan 500 gigabyte in de duurste smartphones hoef je haast niet meer wakker te liggen van hoeveel foto’s en filmpjes je opslaat. Ter vergelijking: een uur van je favoriete Netflix serie in high-definition of een duizendtal foto’s zouden ‘slechts’ om en bij de drie gigabyte innemen. Wie hier wel van wakker ligt, zijn de ontwikkelaars en fabrikanten van geheugenchips. Want om aan onze onverzadigbare behoefte aan dataopslag te voldoen moeten geheugenchips steeds meer data kunnen opslaan zonder dat ze duurder mogen worden. Dat wil zeggen: meer bits en bytes op dezelfde oppervlakte en aan dezelfde prijs. De technologie die hier momenteel als enige in slaagt, heet Flash geheugen en dan meer specifiek 3D NAND Flash. Kort samengevat zijn dit geheugenchips die data opslaan in kleine geheugencellen die in grote aantallen naast en op elkaar gestapeld zijn. Vergelijk het met een bibliotheekgebouw met duizenden boekenrekken in honderden kamers verspreid over meerdere verdiepingen. Momenteel bestaan dergelijke geheugenchips uit een honderdtal actieve lagen (of ‘verdiepingen’), maar binnen enkele jaren moeten dat er vijfhonderd of zelf duizend worden. En net zoals een flatgebouw van vijfhonderd verdiepingen een veel grotere uitdaging is dan eentje van honderd, zijn ook deze toekomstige geheugenchips verre van evident om te maken.

Om juister te zijn, spreken we ook beter over een archiefkelder dan een flatgebouw. Want deze geheugenchips worden ‘uitgegraven’ in plaats van ‘opgebouwd’. Beeld je in: je moet honderden putten maken van tien meter diep, tien centimeter diameter (dat is 100 keer dieper dan breed) en op een afstand van tien centimeter van elkaar, zonder mechanische hulpmiddelen zoals een boor of een spade. Deze putten moet je dan vullen met een nieuw materiaal zonder dat er luchtbellen of onzuiverheden in mogen voorkomen. En beeld je nu in dat je dit op microscopisch kleine schaal moet doen.  Dat is de uitdaging waar geheugenfabrikanten voor staan. Dankzij heel nauwkeurige chemische processen maken ze gaatjes van tachtig nanometer breed en twintig micrometer diep in materiaallagen die zijn aangebracht op een geheugenchip in wording. Hierin brengen ze – opnieuw dankzij complexe chemie – materialen aan die elektriciteit geleiden en waardoor honderden verdiepingen aan geheugencellen kunnen beschreven en uitgelezen worden. Maar daar houdt het niet op. Hoe dunner en dieper het kanaal, hoe lastiger het is om de nodige elektriciteit tot onderaan te krijgen om de gegevens op een correcte manier in en uit de geheugencellen te schrijven en te lezen. Om dit op te lossen, zijn nieuwe materialen, maar ook weer veel onderzoek en testen nodig.