Ik ben nu bezig met een kinderboek waarin de hoofdpersoon vast komt te zitten in de wereld van computers. Ik doe veel met computers (spellen, websites, programmeren) en met schrijven, dus dat leek me een perfect project om dat te combineren.
In dat boek probeer ik gaandeweg uit te leggen hoe zo’n computer werkt. (Op een leuke en avontuurlijke manier, het moet nooit voelen als een schoolboek natuurlijk.)
En zo kwamen we bij hoofdstuk 19. Het moment dat ik wilde uitleggen hoe flash memory werkte: het type geheugen dat smartphones en USB-sticks gebruiken.
Ik had een vaag idee hoe dit in elkaar stak. De USB heeft miljoenen kleine cellen die een 0 of een 1 kunnen zijn. Als je hem in de computer steekt, gebruikt de computer elektriciteit om de staat van deze cellen te kunnen veranderen.
Op zich is dat waar. Maar de details bleken … eh … quantumfysica.
Ik heb even een nachtje moeten slapen voordat ik toch besloot om dit toe te voegen aan dit kinderboek :p Want dit is hoe het werkt.
Het idee van quantumfysica is dat, als je iets maar klein genoeg maakt, alle normale regels van onze wereld niet meer gelden.
Eén van die regels is dat dingen niet kunnen teleporteren. Wij zijn op één plek. En om op een andere plek te komen, moeten we daar in een continue lijn naartoe bewegen.
Particles—zoals elektronen—hoeven dat dus niet. Zij begeven zich niet op één punt, maar in een cloud. Op elk moment kunnen ze, met een bepaalde kans, op een plek in die omgeving zijn. En daar hoeven ze dus niet naartoe te bewegen: ze teleporteren erheen. (De functie die aangeeft wat die kansen precies zijn, heet de wave function.)
Stel nu dat we een muur plaatsen. In onze echte wereld kunnen we daar niet zomaar langs. Immers moeten we door die muur heen, en wij kunnen niet dwars door steen.
Maar voor elektronen is dit wat minder een probleem. Zij hebben een bepaalde kans om—hopsakidee—ineens aan de andere kant van de muur te staan!
Normaal gesproken is deze kans klein. Maar verander de omstandigheden, en je verhoogt de kans tot het punt dat je vrij zeker bent dat de elektron aan de andere kant van de muur zal verschijnen.
Haal die omstandigheden weer weg en ta da! Je hebt een elektron opgesloten aan de andere kant van de barrière.
Dit heet quantum tunneling en is hoe USB-sticks (en SSDs, en SD-kaarten, en telefoons) werken.
- Je geheugen is een gigantisch grid van cellen die een 0 of een 1 zijn.
- Om deze te veranderen, gebruiken we quantumfysica om elektronen op magische wijze langs een muur te teleporteren.
- Maar daarna zitten ze vast, waardoor je geheugen bewaard blijft.
Zo, dat heb ik geleerd. En nu mag ik dit in verhaalvorm langzaam duidelijk maken aan jonge lezers. Enerzijds een uitdaging, anderzijds een uitkomst. Want ik wist nog niet precies hoe ik de climax ging schrijven, maar nu ik dit weet … denk ik dat mijn hoofdpersonage plotseling ontdekt hoe ze kunnen teleporteren :p
Dit verhaal heeft nog wat kanttekeningen.
Ten eerste: inmiddels is de technologie zo ver dat we elke cel meerdere waardes kunnen geven. Dat is hoeveel controle we hebben. Dus elke cel kan waardes 0 tot 7 opslaan inmiddels.
Ten tweede: dit is waarom SSDs een maximum hebben aan hoeveel ze kunnen worden gebruikt. Men kan alleen data veranderen door eerst de originele data (op die plek) leeg te halen. Want dat zijn de enige twee dingen die we (goed) kunnen:
- Zet de cel naar een waarde
- Reset de cel naar geen waarde
Oftewel, een cel moet eerst worden gewist, voordat het nieuwe waardes kan opslaan.
Dat wissen en elektrongegoochel verslijt langzaam het mechanisme. Er komt een moment waarop je alleen nog kan lezen wat erop staat, maar niks meer kan veranderen.
Ten derde: en dat is de reden dat flash drives een chip hebben die heel slim kiest hoe het alles opslaat. Het verdeelt alle data precies over alle cellen, zodat ze allemaal ongeveer even veel worden gebruikt (“wear levelling”) Dat is waarom dit geheugen steeds langer meegaat de laatste jaren. Er zijn hele slimme manieren gevonden om dit nadeel van flash memory—het kapotgaan van cellen—zoveel mogelijk te reduceren.
Maar als je flash geheugen ermee ophoudt, kan je dus vrij zeker zijn dat het ook echt definitief gedaan is, en alle cellen opgebruikt.