Imec Magazine Editie mei 2017

Transcriptie

1 Imec Magazine Editie mei /35

2 MEI 2017 EDITIE Voorwoord mei 2017 De 5 highlights van april Imec zoekt partners om chronische ziekten te bestrijden ExaScience Life Lab helpt farmabedrijven kandidaatgeneesmiddelen opsporen in Een stad vol energie Smart Education: de langverwachte digitale revolutie in het onderwijs Nieuwe silicium fotonicatechnologie zorgt voor sneller dataverkeer in AZilPix verandert het opnemen en uitzenden van evenementen in een 2/35

3 Editie mei 2017 Voorwoord mei 2017 Elke maand blikt onze CEO terug op gebeurtenissen uit zijn (professionele) leven en beschrijft enkele van de onderwerpen die die maand aan bod komen in imec magazine. Voor eeuwig op de schoolbanken? We zitten in de laatste rechte lijn voor ons imec technologieforum (ITF). Op 16 en 17 mei ontvangen we in de prachtig vernieuwde Elizabethzaal in Antwerpen inspirerende sprekers van over de hele wereld en een toegewijd publiek dat voor eventjes terug op de schoolbanken wil zitten. Je komt tijdens ITF alles te weten over de nieuwste technologische ontwikkelingen op het vlak van chiptechnologie, technologie voor een betere gezondheid, slimme steden, het internet der dingen, enz. Twee van de experts die in dit magazine aan bod komen, Chris Van Hoof en Jef Poortmans, kan je trouwens live aan het werk zien in Antwerpen. Ze vertellen er respectievelijk over een digitale gezondheidscoach en een duurzaam energienetwerk. En nog belangrijker je kan hen ook ontmoeten om van gedachten te wisselen. Want ook dat is ITF: netwerken en kennis uitwisselen met dé experts uit jouw interessedomein. Ook ik bereid momenteel mijn presentatie voor, die zal gaan over de ongeziene mogelijkheden van de vierde industriële revolutie. We staan immers aan de vooravond van een technologische revolutie die onze manier van leven en werken radicaal zal veranderen. Concepten als automatisering, mens-machine interactie, het internet der dingen, artificiële intelligentie, big data en de interpretatie van die data, zullen aan bod komen. Concepten die heel wat opportuniteiten met zich meebrengen. Maar zoals bij elke (industriële) revolutie is er ook angst voor verandering en zijn er doemdenkers die ervan overtuigd zijn dat machines de jobs van ons, mensen, zullen overnemen. Daarom is het belangrijk om de mens centraal te blijven plaatsen bij elke technologische ontwikkeling. Het verhaal dat Chris Van Hoof brengt in dit magazine is daar een mooi voorbeeld van. Zo kan iedereen over een persoonlijke (digitale) coach beschikken die je via sensoren en contextuele informatie door en door leert kennen; een coach die je bijstaat om gezonder te leven. Het is een mooi voorbeeld van hoe mens en technologie kunnen samenwerken. Een andere karakteristiek van deze vierde industriële revolutie is dat technologische ontwikkelingen elkaar razendsnel opvolgen. Wist je bv. dat supercomputers helpen om sneller geneesmiddelen te ontwikkelen en 3/35

4 dat siliciumfotonica ons zal helpen om nog sneller data uit te wisselen in datacenters? Je leest erover in dit magazine. Een snel evoluerende wereld vereist echter ook dat we continu bijleren, door veel te lezen, door conferenties en lezingen bij te wonen, online cursussen te volgen, enz. Levenslang op de schoolbanken zitten, met andere woorden. Maar wat met onze jeugd? Die zitten letterlijk nog steeds op de schoolbanken zoals 100 jaar geleden, twee aan twee, in rijtjes voor de leerkracht; van 08u30 tot 16u00, onderbroken door een middagpauze; en wie iets wil vragen, steekt zijn hand omhoog Kunnen we met technologie ook deze omgeving dynamischer maken, met onderwijs-op-maat en meer interactie? Imec gelooft van wel. Daarom openden we deze maand in Kortrijk het Edulab een onderdeel van het gloednieuwe imec Smart Education -programma, waarover je meer leest in dit magazine. Samen met onderzoekers van KU Leuven, UGent en VUB, bedrijven als Barco en Televic, en de Vlaamse scholen, willen we technologie inzetten om leren meer interactief en collaboratief te maken op school, maar ook wat professionele navorming betreft. Dankzij educatieve technologie kan je van thuis uit via je laptop actief deelnemen aan de les, kan je online een stille (anonieme) vraag stellen aan de docent, kan je aandacht gemonitord worden met sensoren en speelt de leerkracht hierop in. En dat allemaal op basis van imec-technologie en -inzichten. Of hoe imec mee de basis legt voor een toekomst waarin levenslang leren centraal staat. Net als de telefoon met draaischijf en zwart-wit televisie, zal op de schoolbanken iets uit het verleden worden. Luc Van den hove, Algemeen directeur en CEO imec 4/35

5 Editie mei 2017 De 5 highlights van april Het leven is zo druk! Dus misschien heb je niet altijd de tijd om het nieuws en de doorbraken van imec op de voet te volgen. Op deze pagina vind je een kort overzicht van wat imec de voorbije maand realiseerde. Meer dan 50 demo s geselecteerd voor ITF Belgium Uit een honderdtal inzendingen heeft imec de voorbije maand meer dan 50 demo s en prototypes geselecteerd die getoond zullen worden tijdens de jaarlijkse ITF Belgium-conferentie op 16 en 17 mei. Deze demo s hebben imec technologie inside en tonen de laatste ontwikkelingen in diverse toepassingsdomeinen, waaronder slimme steden, duurzame energie, slimme gezondheidszorg, industrie 4.0, slimme mobiliteit en media. ITF-deelnemers zullen in discussie kunnen gaan met de onderzoekers achter de demo s, die momenteel de laatste hand leggen aan de voorbereidingen. Een voorsmaakje van de geselecteerde demo s vind je op de website van ITF Belgium. Nog niet ingeschreven voor ITF? Boek dan snel je ticket op Nieuwe record-efficiënties voor imecs perovskiet en bifaciale n-pert zonnecellen Imec heeft mooie resultaten neergezet voor twee types zonnecellen. Enerzijds behaalde imec, partner van EnergyVille, een record front-side efficiëntie van 22,8% op bifaciale n-pert zonnecellen. Dat zijn zonnecellen die zonlicht aan beide zijden van de cel kunnen oogsten. De technologie die imec hiervoor gebruikt, belooft ook een goedkopere productie van dit type zonnepanelen. Anderzijds zette imec, partner van Solliance, een efficiëntie van 12,4% neer voor een 4x4cm2 perovskietmodule, een dunne-film zonnecel die bijv. in bouwmaterialen gebruikt zou kunnen worden. En imec kon hiervoor niet alleen een zeer goede performantie tonen, ook de stabiliteit van de nieuwe module was uitzonderlijk goed. Meer details vind je op imecs website. 5/35

6 Slim shirt van imec en Holst Centre meet ademhaling, hartactiviteit en beweging Je hartslag meten met een borstband of Holter-monitor? Het kan ook op een meer comfortabele manier... Zo toonden imec en Holst Centre tijdens de MedTech Europe-beurs van 4-6 april in Stuttgart (Duitsland) een prototype van een slim T-shirt waarin gevoelige sensoren geïntegreerd zijn die ademhaling en beweging meten, en een kwalitatief medische meting van de hartactiviteit mogelijk maken. De sensoren en elektronica zijn op het textiel geprint in laagjes van slechts 60 micrometer. Bovendien zijn ze 100% rekbaar. Het shirt zelf is volledig wasbaar. Lees meer in het persbericht. Imec ontvangt zijn core partners Tweemaal per jaar nodigt imec zijn core partners uit voor een update van zijn onderzoeksresultaten. De laatste week van april verwelkomde imec ongeveer 500 geïnteresseerden die presentaties bijwoonden van imec wetenschappers en residenten. Het programma was rijk gevuld met bijdragen over, onder andere, de nieuwste geheugenchips en transistorarchitecturen, de status van lithografie, 3D-integratietechnieken, interconnect-technologieën, Si-fotonica en een update van imecs GaN-programma. De volgende PTW (Program Technical Week) gaat door in oktober Eric Beyne wint Europese SEMI Award van 2016 Eric Beyne, Fellow en Programmadirecteur 3D System Integration bij imec, is één van de drie winnaars van de European SEMI Award van Eric Beyne ontving de award voor zijn buitengewone bijdragen op het gebied van 3D-integratie. Eric Beyne werkt sinds 1986 op imec, waar hij zich vooral richt op de ontwikkeling van geavanceerde verpakkings- en interconnect-technologieën. Ook Rolf Aschenbrenner van Fraunhofer, Duitsland en Gilles Poupon van CEA-Leti, Frankrijk vielen in de prijzen. Meer info over de award en de winnaars vind je hier. 6/35

7 Editie mei 2017 Smart Health, Life sciences Imec zoekt partners om chronische ziekten te bestrijden Imec lanceert onderzoeksprogramma imec.ichange om op basis van sensoren en data science een digitale coach te ontwikkelen voor een gezonder leven. Veel bewegen, gezond eten, niet roken, en je stress onder controle houden. We weten allemaal hoe het moet, gezond leven. Maar het is niet omdat we het weten, dat we het ook doen. Toch is het heel belangrijk: 80% van de chronische ziekten is gelinkt aan onze levensstijl en de behandeling ervan slorpt 50% van het gezondheidszorgbudget op. Hoog tijd dus voor goede voornemens, of beter, voor een systeem dat ons helpt om onze goede voornemens een leven lang vol te houden. Imec bouwt zo n systeem, op basis van sensoren en de analyse van smartphone-data. Chris Van Hoof, directeur Wearable Healthcare bij imec, vertelt over dit groots opgezet onderzoeksprogramma, met o.a. sensortechnologie, data science, grote trials, het uitdenken van bedrijfsmodellen en vooral: de juiste partners. Nu al nemen verschillende ziekenhuizen deel aan dit programma, en nu een solide basis gelegd is, is Chris Van Hoof op zoek naar geïnteresseerde bedrijven die mee willen werken om de gezondheidszorg voor altijd te veranderen. Hoe wil imec chronische ziekten aanpakken? We weten allemaal dat gezond leven belangrijk is. Het behoedt ons voor obesitas, hart- en vaatziekten, burn-out en depressie, en bepaalde vormen van kanker. Maar het kan zo lekker zijn om eens pizza te eten, of een frietje, of om na het eten even een sigaret te roken, en stress moet je er nu eenmaal bijnemen op je werk. Imec ontwikkelt een systeem om ons bij te staan in een gezonder leven en om dokters te helpen bij de behandeling van patiënten met depressie, eetstoornissen enz. 7/35

8 Van Hoof: Alles begint met het verzamelen van data. We meten fysiologische data met behulp van sensoren die je draagt op je lichaam (als een horloge, geïntegreerd in een T-shirt,...). Dit kan gaan om allerlei cardiopulmonaire parameters en fysiologische informatie zoals hartslag, ECG, huidtemperatuur, huidgeleiding, enz. Daarnaast verzamelen we contextuele data met behulp van je smartphone: je locatie, afspraken in je agenda, activiteit op social media, omgevingsgeluiden, mailgedrag, enz. Let wel: deze data worden geanonimiseerd om privacy- en securityredenen. Op deze data laten we vervolgens slimme algoritmes los. Zo krijg je inzicht in je gedrag, gewoontes en je zwakke momenten. Bv. je gaat altijd roken rond 12u en 16u, je stressniveau stijgt altijd als je een meeting met persoon x hebt, je begint te snoepen als je thuis komt van je werk. In deze eerste fase leert het systeem je kennen en is het de bedoeling dat je ook nog zelf feedback geeft. Deze feedback moet op een heel gebruiksvriendelijke manier gegeven kunnen worden. Zo heeft het geen zin om mensen die willen vermageren te vragen om elke dag een eetdagboek in te vullen, dat houdt niemand vol. Maar als het systeem al veel kan afleiden uit contextuele info en je enkel met ja of neen op een vraag moet antwoorden, dan zal dat voor de meeste mensen wel aanvaardbaar zijn. Trouwens, hoe beter het algoritme je leert kennen, hoe juister die vragen zullen zijn. Door het verzamelen en interpreteren van fysiologische en contextuele data kan je iemands gewoontes achterhalen. Het is een eerste stap in het proces naar duurzame gedragsverandering. Zo verzamelen we data en verwerven we een aantal inzichten, maar wat nu? Van Hoof: Vaak weten mensen uit zichzelf al wanneer ze hun zwakke momenten hebben, maar dit inzicht is meestal niet genoeg om er ook effectief iets aan te doen. Ze hebben iemand nodig die hen bijstaat tijdens deze zwakke momenten. Denk aan het engeltje en duiveltje op je schouder als je wil stoppen met roken, minder snoepen,... Wij willen een extra engeltje in je smartphone steken. Stel bv. dat je je conditie wil verbeteren. De algoritmes hebben geleerd wat je huidige conditie is, of je een ochtend- of avondmens bent, wanneer je tijd hebt in je drukke agenda, enz. Op basis van die kennis zal je smartphone je voorstellen om bepaalde oefeningen op bepaalde tijdstippen te doen. Of: je wil stoppen met roken. Het algoritme heeft geleerd waar je favoriete rooklocatie is en zal een boodschap sturen zodra het merkt dat je hiernaartoe wandelt. Of het algoritme heeft geleerd dat je steeds rookt na een bezoek aan je schoonmoeder, en stuurt je een boodschap vlak na dit risicomoment om je ervan te weerhouden een sigaretje op te steken. Die benadering verschilt dag en nacht van bestaande apps die op standaardmomenten algemene tips en 8/35

9 raadgevingen sturen. De sleutel tot succes is om de persoon, zijn tijdsbesteding en gewoontes te leren kennen en de juiste feedback te geven, op het juiste moment. Wij leveren de technologie aan, terwijl gedragstherapeuten hun inzichten delen over hoe je een duurzame gedragsverandering het beste kan realiseren. Vijf cases In het nieuwe imec onderzoeksprogramma rond technologie voor gedragsverandering zullen er enkele concrete cases behandeld worden. Van Hoof: We zullen technologie en algoritmes ontwikkelen voor stress management, het stoppen met roken, het veranderen van eetgedrag (bv. voor gewichtsverlies) en drinkgedrag, en het verbeteren van de conditie. Voor dit laatste bestaan er uiteraard al veel fitness apps en activiteitstrackers, maar wij geloven dat we technologie en algoritmes kunnen ontwikkelen die deze producten nog beter kunnen maken zodat ze persoonlijke feedback geven, op het juiste moment. De bedrijven die dit soort toepassingen maken, zijn dan ook meer dan welkom in ons programma om samen aan oplossingen te werken die mensen echt gezonder maken, een leven lang. We starten met extreme cases om van hieruit dingen te leren die later kunnen worden toegepast op de minder extreme gevallen. Bijvoorbeeld: voor de stressmanagementoefening werken we met patiënten die in behandeling zijn bij een therapeut en die kampen met een burn-out of depressie; voor het bijsturen van het eetgedrag werken we met anorexiapatiënten. Als we bij deze patiënten signalen kunnen detecteren die typisch zijn voor hun ziekte kunnen we later ook minder duidelijke klachten herkennen en preventief optreden. Als we bv. chronische stress vroegtijdig kunnen detecteren vooraleer die overgaat in een burnout of depressie, behoeden we de patiënt, de dokter en het gezondheidszorgbudget voor grotere problemen. Huidige resultaten Het idee dat we hier beschrijven is niet nieuw voor imec. We schreven er eerder al over in imec magazine (zie artikel Voor iedereen een persoonlijke coach,september 2015). Maar sinds die tijd is er veel gebeurd. Van Hoof: Vorig jaar fusioneerde imec met onderzoeksinstelling iminds. De iminds-onderzoekers brachten kennis mee rond data science en security, waardoor ons programma nog sterker en vollediger werd. Ook zijn we al 1,5 jaar bezig met een grote trial (1.000 mensen) rond stress. We meten stressparameters in het dagelijkse leven en analyseren deze data op zoek naar een manier om stress op een accurate manier te detecteren en eventueel te voorspellen, en om mensen in te delen in verschillende categorieën wat betreft stressbestendigheid. Voor deze stresstrial, en ook voor projecten rond eetgedrag bij anorexiapatiënten, werken we nauw samen met psychologen en therapeuten. Het opzetten van deze samenwerking is een belangrijke basis die we nodig hadden vooraleer we een groot onderzoeksprogramma konden uitrollen voor industriële partners. Op het vlak van sensortechnologie heeft imec al een mooi palmares opgebouwd. Dit onderzoek kreeg een extra boost met de oprichting van Holst Centre in Eindhoven, nu 10 jaar geleden. Er werd ondertussen o.a. een sensormodule voor hart-en vaatziekten, een gezondheidspleister en een EEG-headset gemaakt als demonstrator van imecs unieke low-power sensortechnologie. Deze sensortechnologie werd bovendien al opgepikt door commerciële bedrijven om de stap te zetten naar echte producten. 9/35

10 Voorbeelden van enkele demonstratoren die imec ontwikkelde om zijn unieke low-power sensortechnologie te tonen. Imecs unieke sensortechnologie werd reeds gebruikt door verschillende industriële partners. Wat maakt dit programma uniek? Er zijn veel bedrijven en onderzoeksinstellingen bezig met technologie om onze gezondheid te verbeteren. Wat maakt imecs programma dan zo uniek? Van Hoof: De diepgang en de breedte van het programma zijn uniek in de wereld. De toepassingen die eruit zullen voortkomen zullen uniek zijn op het vlak van personalisatie, zowel op het vlak van detectie als feedback. Met diepgang bedoel ik het klinisch-relevante, wetenschappelijke karakter van de metingen. Met onze sensoren kunnen we immens veel parameters meten. Bv. in de stresstest meten we met een sensorarmband en -pleister 3 fysiologische signalen (huidgeleiding, ECG en temperatuur) waaruit we 20 parameters kunnen berekenen. Tijdens de trials zullen we typisch zo veel mogelijk signalen opmeten, om er dan de meest relevante parameters uit te pikken voor een specifieke applicatie. Het uiteindelijke commerciële product dat door onze partners zal worden ontwikkeld, mag maar uit één sensor en een smartphone applicatie 10/35

11 bestaan, anders zal het een brug te ver zijn voor de gebruiker. Naast onze eigen sensoren nemen we ook commercieel beschikbare sensoren van onze partners op in de trials. De breedte van het programma is ook enorm. We hebben, naast sensortechnologie, ook psychologen en therapeuten aan boord, kennis rond het bouwen van gebruikersinterfaces, digital phenotyping, privacy en security, het opzetten van gebruikersstudies en trials, het uitdenken van de meest geschikte businessmodellen (abonnement, huren, voorschrijven door dokter,..). Dankzij de fusie met iminds hebben we onze kennis kunnen verbreden en wordt het mogelijk om een volledige oplossing te maken. Maar uiteindelijk zal het succes van dit programma afhangen van de partners die we weten te overtuigen om mee te werken. Ben jij de partner die we zoeken? Zoals gezegd is imec nu op zoek naar bedrijven die willen samenwerken in dit onderzoeksprogramma. Van Hoof: We willen een ecosysteem uitbouwen zodat we alle expertises aan boord hebben om nuttige producten te maken die onze partners kunnen commercialiseren. Of misschien hebben geïnteresseerde bedrijven producten die ze kunnen verbeteren dankzij de resultaten die uit dit programma zullen komen. Het feit dat we grote trials zullen opzetten en onze proeftuinexpertise zullen aanwenden, maakt dat de partners meteen feedback hebben van de eindgebruiker over wat werkt en wat niet. Zo nemen ze veel minder risico als ze een nieuw product op de markt brengen. Ben je dus een bedrijf dat met sensoren, systemen of apps bezig is rond gezondheid of specifieke ziekten, of ben je een dokter of specialist of coachingbedrijf, en heb je interesse in imecs aanpak, neem dan zeker contact op met Chris Van Hoof of 016/281815). Meer weten? Op 16 mei zal Chris Van Hoof spreken in Antwerpen, tijdens Imec Technology Forum België. Meer info op de ITF-website. In oktober organiseer imec ITF Health, een Imec Technology Forum in de VS dat volledig gewijd is aan imecs technologie rond slimme gezondheidszorg. Meer info op de ITF-website. 11/35

12 Biografie Chris Van Hoof Chris Van Hoof leidt imec s personal health R&D activiteiten in Leuven, Eindhoven en Gent waar de onderzoeksteams innovatieve oplossingen creëren voor artsen, patiënten en voor diagnose, preventie en coaching. Chris houdt ervan dingen te maken die echt werken: naast het creëren van talloze werkende prototypes voor klanten heeft zijn werk geleid tot 5 imec spin-offs (4 in het domein van de gezondheidszorg). Hij heeft meer dan 600 publicaties op zijn naam en trad meer dan 100 keer op als gastspreker op internationale congressen. Hij is tevens professor aan het ESAT departement van de KU Leuven waar hij instaat voor 2 vakken. 12/35

13 Editie mei 2017 ExaScience Life Lab helpt farmabedrijven kandidaatgeneesmiddelen opsporen in bestaande data Uiterst krachtige computers worden ingezet voor de verwerking van de enorme hoeveelheid testgegevens die gegeneerd worden bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, om zo tot nieuwe inzichten te komen. Farmaceutische bedrijven zijn voortdurend op zoek naar geschikte molecules voor de ontwikkeling van geneesmiddelen tegen bepaalde ziektes. Daarvoor onderzoeken ze telkens de effecten van molecules op specifieke biologische processen die met die ziekte te maken hebben. Maar het is misschien ook mogelijk om dezelfde tests veel ruimer op te zetten en veel meer biologische processen te bekijken. Eén van de knelpunten daarbij is de verwerking en datamining van de enorme hoeveelheid testgegevens. Roel Wuyts, senior scientist van het ExaScience Life Lab, legt uit hoe hij met zijn collega s dergelijke knelpunten bij life sciences-toepassingen probeert op te lossen. Aan de hand van een recent project laat hij zien hoe het expertisecentrum de levenskwaliteit van mensen probeert te verbeteren met de uiterst krachtige computers die ons vandaag ter beschikking staan. Miljoenen beelden doorploegen Om hun onderzoekspijplijn met nieuwe kandidaat-geneesmiddelen te vullen, gaan farmabedrijven na welke effecten molecules hebben op cellen, de basisbouwstenen van ons lichaam. Zij gebruiken daarvoor schalen met honderden kleine putjes. In elk putje deponeren ze eerst een beetje van de cellencultuur die ze willen onderzoeken en vervolgens één van de molecules waarvan ze het effect willen nagaan. Dan laten ze beide 13/35

14 een tijdje met elkaar reageren, voegen contrast- en kleurstoffen toe en maken één of meer microscopische hogeresolutiebeelden van de putjes. Die beelden worden dan automatisch verwerkt, waarbij er wordt gekeken naar een aantal morfologische kenmerken van de cellen en hun organellen. Op die manier proberen de onderzoekers het effect van de toegevoegde molecules te achterhalen. Is de cel gegroeid of gekrompen? Is de celwand nog intact of beschadigd? En hoe zit het met de celkern, die het genetisch materiaal bevat? Dit proces wordt high-throughput cell imaging (HTI) genoemd, zegt Roel Wuyts, en meestal wordt de open-source software CellProfiler gebruikt om de beelden te doorzoeken. CellProfiler werd ontwikkeld door het Broad Institute. De bedoeling was om biologen zonder specifieke opleiding in computervisie of - programmering in staat te stellen om automatisch grote aantallen beelden te verwerken en daarbij specifieke celkenmerken te kwantificeren. Een CellProfiler-script creëert een pijplijn waarin een reeks programma s na elkaar worden uitgevoerd, waarbij elk programma de output van het vorige als input gebruikt. Farmabedrijven noemen deze uitgebreide tests ook wel assay s. Ze worden meestal opgezet om de effecten van een biblioteek aan molecules op slechts één specifiek biologisch proces te onderzoeken. Er wordt bijvoorbeeld gekeken waar een bepaalde actieve proteine in een cel aanwezig is hoe dat wordt beïnvloed door de molecule toe te voegen. Door slechts naar een handvol van alle beschikbare celkenmerken te kijken, maakt men de verwerking van de data eenvoudiger, zegt Roel Wuyts. Maar aan deze methode kleeft een groot nadeel: slechts een klein gedeelte van de potentieel beschikbare informatie in deze dure beelden wordt benut. Alle informatie aanboren Onderzoekers van Janssen Pharmaceutica, het Broad Insitute, en een aantal onderzoekspartners hebben recent een project opgezet om te kijken hoe ze met de hoogperformante computers van vandaag meer informatie uit de beelden kunnen halen. In elke cel vinden vele duizenden biochemische processen plaats. In een assay worden die allemaal blootgesteld aan de geteste chemische stoffen. En veel van de effecten hebben een impact op de celmorfologie en kunnen dus aan de hand van de beelden worden bestudeerd. De onderzoekers wilden daarom nagaan of ze op basis van de beelden een neutrale vingerafdruk van elk putje konden maken: een beschrijving van de celeigenschappen onafhankelijk van een bepaald biologisch proces. Een dergelijke vingerafdruk zou vervolgens bruikbaar zijn om de activiteiten van alle geteste molecules bij een groot aantal processen te voorspellen. Maar er is een belangrijk verschil tussen een assay voor één welbepaalde doelstelling en een neutrale vingerafdruk: elk hogeresolutiebeeld - en in één enkele assay kan het om miljoenen dergelijke beelden gaan - moet dan niet op een handvol kenmerken worden gescand, maar op honderden of zelfs duizenden kenmerken. Qua rekenkracht een hele krachttoer! Precies dit knelpunt hebben Roel Wuyts en zijn collega s helpen oplossen. In deze studie, zegt Roel Wuyts, keken we op een nieuwe manier naar de beelden die waren genomen om na te gaan welke invloed een half miljoen verschillende molecules hadden op H4-neurogliacellen, een specifiek type kankercellen in de hersenen. De oorspronkelijke bedoeling van het assay was om te onderzoeken welke impact de molecules hebben op de verplaatsing van glucocorticoïdereceptoren van het celcytoplasma naar de celkern. Maar nu keken we dus veel breder. Wij ontvingen beeldvormingsdata van bijna schalen, elk met 384 putjes. Dat leverde miljoenen beelden op, in totaal meer dan 10 terrabyte aan data. Het was de bedoeling om CellProfiler te gebruiken om kwantitatieve gegevens voor ongeveer kenmerken per beeld te verkrijgen. Maar de CellProfilerscripts van het Broad Institute werden niet ontwikkeld om zoveel data te analyseren. Ze slagen er met name niet in om voordeel te halen uit een computerinfrastructuur die vandaag de dag kan bestaan uit tientallen computers met een array van hoogperformante processoren, die allen bovendien nog een hele reeks rekenkernen hebben. Wie het CellProfiler-programma daarom ongewijzigd wil inzetten voor een 14/35

15 dergelijke analyse, heeft enorm veel rekentijd en een (te) groot computerbudget nodig. Dit is een van de redenen waarom een dergelijke uitgebreide analyse nooit eerder heeft plaatsgevonden. De flessenhals wegwerken Het ExaScience Life Lab heeft een krachtige computercluster met in totaal 32 processoren van elk 36 rekenkernen. Het datacenter van het lab is bovendien gecertificeerd door Janssen Pharmaceutica, dat zowel voor het ExaScience Lab als voor dit project als partner optreedt. Zo n certificatie is een voorwaarde om dergelijke gevoelige biologische gegevens te mogen verwerken. De uitdaging bestaat erin om de berekeningen zo efficiënt mogelijk over alle processoren en nodes van de computercluster te verdelen, zegt Roel Wuyts. Je kunt dit bijvoorbeeld doen door de programma s te herschrijven, zodat ze maximaal geschikt zijn voor parallelle verwerking. Wij hadden dit eerder al voor een aantal andere processen gedaan, met mooie resultaten. Maar hier hebben we beslist om CellProfiler te gebruiken en aan te passen. Onze experts moesten bijgevolg met diverse kunstgrepen alle processen zo efficiënt mogelijk verdelen over de beschikbare cores, bijvoorbeeld met scripts die CellProfiler in headless mode op alle beelden losliet zonder interactie met een gebruiker, en door het totale werk in kleine pakketjes op te splitsen die door aparte processor cores konden worden uitgevoerd. Op deze manier slaagden wij erin om de rekentijd op onze computer met bijna twee derde in te korten. Wij zien bovendien mogelijkheden om nog meer winst te boeken. Natuurlijk is beeldverwerking maar één - weliswaar belangrijke - stap in het proces om de resultaten voor nieuwe doeleinden te gebruiken. De onderzoekers van het project kwamen tot de conclusie dat hun resultaten erop wijzen dat beelden van HTI-screeningprojecten kunnen worden gebruikt om de slaagpercentages in andere projecten op te trekken, zelfs in projecten die geen enkele relatie lijken te hebben met de oorspronkelijke bedoeling van de HTI-screening. Dit zou het mogelijk kunnen maken om specifieke assay s te vervangen door algemenere beeldvormingstechnieken in combinatie met artificiële intelligentie. Ons lab was in staat om een flessenhals voor de berekeningen weg te werken en daardoor de praktische haalbaarheid van dergelijke projecten aanzienlijk te verbeteren, zegt Roel Wuyts. Wij hebben laten zien dat het met zorgvuldige en doelgerichte ingrepen mogelijk is om de computertijd voor het verwerken van zo n grote hoeveelheid beelden aanzienlijk in te korten. Aangezien precies computertijd en de bijbehorende kosten vaak een remmende factor zijn bij dergelijke life sciences-projecten, zijn wij ervan overtuigd dat wij projecten kunnen mogelijk maken die de gezondheid en het welzijn van veel mensen ten goede zullen komen. Meer weten? Het Exascience Life Lab ( is een expertisecenter voor veeleisende big data gegevensverwerking in de sector van de life sciences. Het laboratorium, dat ondergebracht is bij imec, werd in 2013 opgericht als een gezamenlijk initiatief van Intel, Janssen Pharmaceutica, imec en alle Vlaamse universiteiten. Het heeft als kernopdracht om knelpunten in rekenkracht bij softwaretoepassingen weg te werken, zodat ze kunnen worden ingezet om problemen in de sector van de life sciences op te lossen. Voor dit specifieke project werd steun verleend door IWT ExaScience Life Pharma, IWT ExaScience Life HPC en IWT Exaptation van VLAIO, het Vlaamse Agentschap Innoveren en Ondernemen. 15/35

16 Biografie Roel Wuyts Roel Wuyts is wetenschapper bij imec en part-time hoogleraar bij imec- DistriNet KU Leuven. Zijn belangrijkste onderzoeksdomein is de runtimemanagementlaag van toekomstige hoogpresterende computerhardware. Vóór hij in dienst trad bij imec was hij geassocieerd professor aan de ULB (Université Libre de Bruxelles). Hij behaalde zijn doctoraat in de computerwetenschappen aan de VUB (Vrije Univeriteit Brussel). Roel Wuyts maakte deel uit van diverse programmacomités van conferenties zoals ECOOP, OOPSLA, SC, Net.ObjectDays of ESUG, organiseerde workshops zoals de DATE'08 Workshop over Software Engineering for Embedded Systems en beoordeelde papers voor TOPLAS en TOSEM. 16/35

17 Editie mei 2017 Een stad vol energie EnergyVille start met bouw van tweede gebouw. Op deze plaats zullen onderzoekers van KU Leuven, VITO, UHasselt en imec samen technologieën ontwikkelen voor een groene toekomst. Zo n 100 jaar geleden werd er nog steenkool ontgonnen in Waterschei (Limburg), en dat tot Op deze symbolische site wordt vandaag de eerste steen gelegd voor het tweede gebouw van EnergyVille. Hier werken onderzoekers van KU Leuven, VITO, UHasselt en imec samen om de overgang te maken van zwarte energie naar een duurzaam energiesysteem. Het wordt één groot labo met zonnepanelen, batterijen, energieopwekkende fietspaden, thermische én elektrische energielabo s, energienetwerken tussen de gebouwen,... Jef Poortmans, wetenschappelijk directeur Photovoltaics bij imec en R&D strategy coördinator bij EnergyVille legt uit wat dit project zo uniek maakt. Een beetje geschiedenis De EnergyVille-gebouwen liggen op het voormalige mijnterrein van Waterschei-Genk. De steenkoolmijn van Waterschei was één van de zeven steenkoolmijnen van het Kempens steenkoolbekken. Van 1907 tot 1987 werd er steenkool ontgonnen. Het prachtige hoofgebouw van de koolmijn staat er nog steeds. Hier kan je de mijngeschiedenis herbeleven door de verhalen van oud-mijnwerkers te beluisteren in het museum. Ondertussen weten we dat het massaal verbranden van steenkool waarbij CO2 vrijkomt leidt tot temperatuurstijgingen op aarde. Ook komen er bij steenkoolverbranding fijne stofdeeltjes vrij die schadelijk zijn voor de gezondheid. Groene energie zon, wind, geothermie is de toekomst. Het voormalige mijnterrein werd daarom omgetoverd tot een industriepark waar onderzoekers samenwerken rond groene energie in EnergyVille, en waar energiebedrijven zich kunnen vestigen om één grote hotspot te vormen rond energie. 17/35

18 De voormalige mijnsite van Waterschei, waar nu EnergyVille wordt gebouwd Imec verhuist PV-onderzoek naar Energyville In EnergyVille werken onderzoekers van KU Leuven, VITO, UHasselt en imec samen. Elk heeft zijn eigen expertise. KU Leuven zet bv. zijn kennis rond hoogspanning DC-netwerken, netwerkdesign, -modellering en -controle in; VITO heeft een grote expertise rond thermische netwerken, monitoringsystemen, marktorganisatie en scenario-ontwikkeling, terwijl UHasselt een sterke achtergrond heeft op gebied van materiaalsynthese (voor PV, batterijen) en betrouwbaarheidsstudies van componenten. Poortmans: Imec zal zijn onderzoek rond PV, batterijen en vermogenselektronica huisvesten bij EnergyVille. Het is voor ons een unieke kans om onze geavanceerde componenten uit te testen op systeemniveau, waarbij we gebruik kunnen maken van de kennis van onze partners. We zien bv. dat het steeds belangrijker wordt om zonnecellen te optimaliseren voor het echte leven en niet enkel voor standaardomstandigheden. En dat kan perfect uitgewerkt worden in een omgeving als EnergyVille. Vorig jaar fusioneerde imec met het digitale onderzoekscentrum iminds. Poortmans: Zo kregen we extra expertises in huis, die het pallet aan technologie en kennis binnen EnergyVille vervolledigen: datacommunicatie, dataverwerking en security. In de energienetwerken van de toekomst zal een massa data moeten worden uitgewisseld om de toestand van het energienet te bepalen en dit gedistribueerde systeem te kunnen controleren. Daarvoor heb je dus een performant datacommunicatiesysteem nodig. Bovendien vergeet men vaak dat data niet hetzelfde is als bruikbare informatie: je moet er slimme algoritmes op loslaten om er iets nuttigs mee te kunnen doen. En dit moet allemaal op een veilige manier gebeuren. Uniek in de wereld EnergyVille sterkte houdt tegelijk ook zijn grootste uitdaging in. Poortmans: Dit initiatief is uniek in de wereld. Nergens vind je een project dat zo breed over de waardeketen gaat. We gaan een multi-energie 18/35

19 netwerk ontwikkelen (elektrisch én thermisch), van materiaal tot component, systeem, nanogrid, microgrid, tot een full-scale netwerk dat op de campus zelf gedemonstreerd zal worden. We gaan een stad in het klein bouwen met bv. energieopwekkende fietspaden tussen de gebouwen. Maar het brede karakter van dit project is tegelijk ook de grootste uitdaging. We zullen de juiste keuzes moeten maken, en het onderzoek op alle niveaus perfect op elkaar moeten afstemmen. De eerste steen In september 2016 opende het eerste gebouw van EnergyVille, voor onderzoekers van KU Leuven en VITO. Het werd een energieneutraal gebouw met labo s en kantoren. Maar eigenlijk is EnergyVille één groot labo met zonnepanelen, batterij(test)systemen, laadpalen voor elektrische wagens, een meetstation voor weersomstandigheden (om dit te kunnen linken met de energieopbrengst van PV-modules), een elektrische netwerkemulator, een thermotechnisch labo, enz. Poortmans: Op 2 mei wordt de eerste steen gelegd van EnergyVille II. Begin 2018 zullen we met ongeveer 35 imec-onderzoekers hiernaartoe verhuizen, samen met een aantal UHasselt-wetenschappers. We zullen er onder andere innovatieve interconnectietechnologie ontwikkelen voor PV-modules (silicium en dunnefilm); nieuwe materialen testen voor dunnefilm-pv; en veilige en betrouwbare batterijen ontwikkelen met een betere energie- en vermogensdichtheid. Er zullen ook thermische en elektrische netwerken gelegd worden tussen de twee gebouwen en er zal een energie-opslagsysteem voorzien worden. Alle ideeën en concepten van de EnergyVille-partners zullen we kunnen uittesten in EnergyVille I en II en uiteindelijk ook op de volledige campus. EnergyVille I 19/35

20 Bed & Breakfast Poortmans ziet de mogelijkheden van de EnergyVille-samenwerking en -omgeving en werkt ook aan een idee om twee modelwoningen te bouwen op de site: Ik noem ze voorlopig het E² en E³ huis. Hier kunnen de EnergyVille-onderzoekers alle technologie samenbrengen en aan het publiek en de energiebedrijven tonen hoe zij de toekomst zien. Waar het in de EnergyVille-gebouwen nog vaak gaat om demonstraties en testen van technologie, moeten deze huizen echt afgewerkte producten worden met een zelfstandige energieproductie, aansluiting op het thermische en elektrische netwerk, opslagcapaciteit enz. De huizen kunnen dan misschien zelfs gebruikt worden door buitenlandse gasten of residenten van bedrijven op de campus. Zo krijgen ze een echte touch and feel van de ontwikkelingen binnen EnergyVille. Iedereen op één lijn krijgen Vanaf 2018 zullen alle onderzoekers dus onder één dak zitten. Toch verwacht Poortmans dat het nog tot 2020 kan duren vooraleer ze op kruissnelheid zitten: Het is natuurlijk niet voldoende om iedereen fysiek bij elkaar te zetten. De grootste uitdaging zal zijn om het onderzoek perfect op elkaar af te stemmen en om de verschillende culturen met elkaar te verzoenen. Imec-onderzoekers werken bv. typisch volgens programma s, terwijl onze partners een eerder project-gebaseerde cultuur hebben. Het wordt een hele oefening om, vertrekkende vanuit een paar goed gedefinieerde toepassingen, de juiste specs op te stellen en het onderzoek hierop af te stemmen. Met deze oefening zijn we vandaag al begonnen en het is heel belangrijk om hiervoor de tijd te nemen zodat we allemaal samen duidelijk gedefinieerde doelstellingen nastreven. En dat wordt veel werk, maar tegen 2020 zal EnergyVille volledig operationeel zijn, klaar om de wereld te tonen dat groene energie de toekomst is, economisch haalbaar en leefbaar. Meer weten? Blijf op de hoogte van wat er reilt en zeilt bij EnergyVille via hun website.. 20/35

21 Biografie Jozef Poortmans Prof. Jozef Poortmans studeerde in 1985 af als Burgerlijk Ingenieur Elektro-mechanica met specialistie in Basiselektronica. Daarna startte hij op imec en werkte eerst op laserrekristallisatie van polysilicium en amorf Si voor SOI-toepassingen en dunne-film transistoren. In 1988 startte hij een doctoraatstudie voor de epitaxiale groei van SiGe-legeringen. In 1993 behaalde hij zijn doctoraat. Daarna vervoegde hij de groep rond zonneceltechnologie in imec waar hij verantwoordelijk voor de activiteit rond geavanceerde zonnecellen. In die context startte hij de activiteiten rond dunne-film kristallijn Si-zonnecellen en organische zonnecellen. Ook coördineerde hij een hele reeks Europese projecten (4de en 5de European Framework Programs). In 2003 werd hij verantwoordelijk voor de hele zonnecelactiviteit in imec en momenteel ageert hij als Wetenschappelijk Directeur PV in imec. 21/35

22 Editie mei 2017 Smart Education Smart Education: de langverwachte digitale revolutie in het onderwijs Imecs nieuwste onderzoekstraject, Smart Education wil het potentieel van educatieve technologie optimaal benutten. De opkomst van chip- en digitale technologie heeft ons dagelijks leven hertekend. Onze communicatie is sneller geworden. Onze gezondheidszorg persoonlijker en efficiënter. Onze jobs flexibeler: we kunnen altijd en overal (samen)werken. Ook in het onderwijs is er een opportuniteit om moderne, educatieve technologie (EdTech) in te zetten denk maar aan educatieve games, taalapps, interactieve leerplatformen, enz. Maar om het potentieel van educatieve technologie optimaal te benutten, is een bredere samenwerking tussen lesgevers, onderzoekers en de EdTech industrie essentieel. Imecs nieuwste onderzoekstraject, Smart Education, speelt hierop in. De centrale vraag die de imeconderzoekers de volgende vijf jaar zullen beantwoorden: hoe kunnen we persoonlijker en gerichter onderwijs aanbieden door gebruik te maken van de laatste technologische ontwikkelingen op hardware- en softwarevlak? Onderwijs-op-maat voor digital natives Met Smart Education wil imec bijdragen aan een onderwijs dat beantwoordt aan de verwachtingen van de zogenaamde digital natives, zowel op school als op de werkplek. De tijd waarin iedereen in hetzelfde lokaal tegelijkertijd dezelfde leerstof gepresenteerd krijgt, is voorbij. Technologie biedt ons de mogelijkheid om onderwijs en professionele opleidingen efficiënter en gerichter te laten verlopen. Meer specifiek wil het 22/35

23 Smart Education-programma slimme technologieën inzetten om interactie en collaboratie tijdens het leerproces te versterken en om leeroplossingen-op-maat aan te bieden. Daarbij wordt gewerkt rond vier speerpunten: Onderzoek naar individueel leergedrag, zodat leeroplossingen-op-maat gebouwd kunnen worden waarmee iedereen op een optimale, gepersonaliseerde manier kennis en vaardigheden kan verwerven. De ontwikkeling van slimme onderwijstechnologieën van sensoren voor het capteren van neurologische data en data-analysesoftware tot visualisatie- en gamificatietechnologie. Proeftuinonderzoek met echte gebruikers in authentieke leeromgevingen waarin nieuwe onderwijstechnologieën uitgebreid getest en bijgestuurd kunnen worden. Maatschappelijke en economische valorisatie van het ter beschikking stellen van de Smart Education-technologie en -knowhow aan Vlaamse onderwijs- en opleidingsinstellingen tot de internationale export ervan. Het doel is niet om één concrete oplossing te ontwikkelen, maar om een reeks componenten (sensoren, algoritmes, leerinzichten, enz.) te ontwikkelen waarmee de industriële partners vervolgens concrete producten en oplossingen kunnen ontwerpen en vermarkten. Imec mikt daarbij zowel op samenwerking met gevestigde waarden (zoals Televic en Barco) als op Ed Tech start-ups (door middel van het imec.istartprogramma). Interactief en collaboratief leren Op 18 april werd in de KULAK officieel het Edulab geopend. Deze interactieve testomgeving is het resultaat van een samenwerking tussen Imec ITEC - KU Leuven, Televic (gespecialiseerd in multimedia en e-learning oplossingen) en Barco (met ervaring in schermtechnologie). KULAK functioneert in dit project als een unieke proeftuin waarin educatieve technologieën op een brede schaal uitgetest kunnen worden. De Edulab-testomgeving focust daarbij vooral op interactief en collaboratief leren en is zo een belangrijke driver voor het Smart Education-verhaal. Zo hebben studenten bijvoorbeeld de mogelijkheid om tijdens oefenzittingen en groepswerken hun eigen scherm te delen met hun medestudenten en/of de docent. Op die manier kunnen ze elkaar concrete feedback geven, gerichte vragen stellen en efficiënter samenwerken. Daarnaast werd ook een interactief leerplatform ontwikkeld, met o.a. een app om hoorcolleges interactiever te maken. Zo kunnen docenten bijvoorbeeld een poll of quiz lanceren die de studenten tijdens de les via hun smartphone kunnen beantwoorden. De resultaten zijn onmiddellijk zichtbaar voor de docent, zodat hij/zij hier op kan inspelen. Omdat studenten het vaak moeilijk vinden om in grote aula s een vraag te stellen, kunnen ze bovendien via hun smartphone zogenaamde silent questions (anonieme vragen) lanceren. Ze kunnen elkaars vragen dan liken om aan te geven dat meerdere studenten met deze vraag zitten. Op die manier kan de docent dus in grote groepen in real-time inspelen op de feedback van studenten. Het Edulab onderzoekt ook de impact van moderne technologie op het afstandsonderwijs, zowel in de vorm van remote classrooms (waarbij een tweede groep studenten die in een ander lokaal of eventueel zelfs in een ander land zitten actief bij het hoorcollege betrokken worden), als in de vorm van virtual classrooms (waarbij meerdere individuen vanop verschillende locaties dezelfde les bijwonen). Door het 23/35

24 groeiende aantal werkstudenten en internationale studenten zal flexibel onderwijs in de toekomst alsmaar belangrijker worden. Leren op afstand en online leren efficiënt en interactief maken, is dan ook essentieel. Adaptief leren: de volgende stap in e-learning Een ander focuspunt van het Smart Education-project is het mogelijk maken van adaptief leren. Blended learning, de combinatie van contactonderwijs en e-learning, is reeds een gevestigde waarde in veel professionele opleidingen, ook binnen imec.academy. Maar vandaag krijgen alle deelnemers meestal dezelfde lesinhoud aangeboden met slechts beperkte mogelijkheden tot differentiatie. Eén van de doelstellingen van het Smart Education-programma is het ontwikkelen van ondersteunende technologie voor geavanceerde e-learning platformen die adaptief leren mogelijk maken, dat wil zeggen dat de inhoud aangepast kan worden aan het niveau en de interesse van de leerder. Concreet zullen leerders tijdens hun e-learningsessies vragen voorgeschoteld krijgen die hun inzicht en begrip van de gegeven leerstof in realtime evalueren. Afhankelijk van hun score op deze tussentijdse quiz, kan eenvoudigere of net meer geavanceerde inhoud aangeboden worden. Op die manier kan elke leerder op eigen tempo het leerproces doorlopen. Ook vanuit het standpunt van docenten biedt dit soort platform voordelen. Docenten kunnen in real-time de vooruitgang van hun studenten volgen en de leercontent hier eventueel aan aanpassen. Ze kunnen bijvoorbeeld zien welke onderdelen van de e-learning video gepauzeerd of teruggespoeld werden: waar haken leerders af? Wat vinden ze moeilijk? Deze data bieden een uniek inzicht in het leerproces en bieden docenten de mogelijkheid om aan continue kwaliteitsbewaking te doen. Dit is ook bijzonder interessant voor professionele trainingen. Opleidingen voor werknemers kosten bedrijven handenvol geld, maar vaak hebben ze geen idee hoe effectief die opleidingen nu daadwerkelijk zijn. Door het verzamelen van real-time feedback tijdens het leerproces wordt de return on investment van training onmiddellijk zichtbaar en meetbaar, zelfs zonder het afnemen van testen of examens. In het hoofd van de leerder Individueel leergedag kan echter ook nog op een andere manier geanalyseerd worden, namelijk via sensoren die onze aandacht en ons stressniveau meten. Imec heeft hiervoor reeds de basistechnologie in huis. Eén van de mogelijke projecten is om een mobiele leeromgeving (in de vorm van bijvoorbeeld een bus) uit te rusten met sensoren die gedurende proeflessen de aandacht en het stressniveau van leerlingen tracken. Op die manier kunnen we echt in het hoofd van de leerders kruipen. Waar haken ze af? Wat kan een leerkracht doen om de aandacht terug te krijgen? Wat creëert stress? Deze inzichten kunnen vervolgens opnieuw vertaald worden naar concrete adviezen voor scholen en leerkrachten. Het belang van kruisbestuiving Het Smart Education-project, mogelijk gemaakt dankzij de steun van de Vlaamse overheid, blinkt uit in samenwerking: naast imec-onderzoekers (inclusief onderzoeksgroepen aan KU Leuven, UGent en VUB) worden immers ook scholen, leerkrachten en de EdTech industrie betrokken. Imec functioneert binnen dit unieke ecosysteem als bindmiddel. Hans De Canck (imec HR Business Partner): Wij zijn eigenlijk de hub waarin alle elementen samengebracht worden. Daardoor kunnen we op verschillende niveaus gaan werken en die met elkaar in relatie brengen. We beperken ons bijvoorbeeld niet tot strategisch basisonderzoek maar valideren de resultaten ook in de praktijk. En omgekeerd kunnen we ook resultaten vanuit de industrie terugkoppelen naar de onderzoekers. Op die manier kunnen we de loop tussen basisonderzoek en de eigenlijke implementatie van EdTech in scholen versnellen en versterken. 24/35

25 Vanaf september kunnen scholen ook voor het eerst deelnemen aan imec.icon-projecten, waarbij budget beschikbaar wordt gesteld voor het opzetten van onderzoek en proeftuinprojecten in de scholen zelf. Daardoor zal de technologie veel sneller bij de scholen en de leerkrachten terechtkomen dan tot nu toe het geval was. Smart Education is bovendien meer dan de technologie alleen. Enerzijds zullen er ook concrete richtlijnen en adviezen worden geformuleerd over hoe deze EdTech oplossingen in de klas geïntegreerd kunnen worden. En anderzijds wordt de kennis onmiddellijk geïmplementeerd via kortlopende collectieve projecten die op korte termijn zichtbare veranderingen in de onderwijswereld moeten opleveren. Deze projecten vertrekken vanuit heel concrete vragen uit het onderwijsveld. Een nauwe samenwerking met de lespraktijk is dan ook essentieel om de digitale revolutie van het onderwijs naar het volgende niveau tillen. Vooruitblik: imec.academy Maar imec gaat natuurlijk ook zelf aan de slag met de resultaten en bevindingen van het Smart Educationproject. Via het imec.academy-opleidingsprogramma biedt imec nu al een brede waaier aan professionele cursussen aan rond nano-elektronica en digitale technologie. Deze trekken internationale studenten aan en worden ook in het buitenland aangeboden, maar doordat het aantal gespecialiseerde docenten beperkt is, is het aanbod vandaag noodgedwongen gelimiteerd. Lisbeth Decneut: Imec.academy kan omwille van de beperkte bandbreedte van de docenten vandaag niet veel meer doen dan gisteren. Als we enkel met docenten kunnen werken die zich fysiek moeten verplaatsen, kunnen we onze expertise onvoldoende internationaal uitdragen. Met de hulp van slimme educatieve technologie en door onze huidige blended learning formules uit te breiden, kunnen we efficiënte leeroplossingen-op-maat ontwikkelen en onze kennis internationaal veel breder verspreiden. Voor meer informatie: 25/35

26 Editie mei 2017 Silicon Photonics, Photonics Nieuwe silicium fotonica-technologie zorgt voor sneller dataverkeer in datacenters Nieuwe zendontvanger heeft 10x hogere bandbreedte dan huidige zendontvangers. De capaciteit van datacenters moet stijgen als we alle huidige en toekomstige internet-toepassingen willen blijven gebruiken. Vandaag alleen al zitten we met duizend miljard gigabyte aan data en dat zal explosief toenemen met de komst van het internet der dingen. Silicium fotonica speelt daar een belangrijke rol in. Het belooft snel dataverkeer, met compacte componenten die weinig energie verbruiken. Imec zet dan ook sterk in op deze technologie. In 2016 demonstreerde onze onderzoekers een unieke Germanium-Silicium modulator met 56Gb/s bandbreedte, die kan worden ingezet om compacte, zuinige optische links te maken voor server-to-server communicatie in datacenters. Recent werd deze modulator verder ontwikkeld en gebruikt in een 16-kanaals 896Gb/s prototype zendontvanger; Deze werd geïntegreerd in een fotonische chip van slechts 1,5mm². Bovendien werd in samenwerking met Universiteit Gent ook aangetoond dat de modulatiesnelheid per kanaal verder kan opgedreven worden tot 100Gb/s. Deze resultaten werden recent gepresenteerd op de prestigieuze OFC conferentie in Los Angeles, het toonaangevende forum voor baanbrekend onderzoek in telecom en datacom. De cloud groter maken Every day we produce massive quantities of data. You only have to think of s, text messages, pictures and videos posted on social media, data from your fitness watch, etc. to see why. And the quantity of data processed by companies such as Google, Facebook, Microsoft and Amazon is growing exponentially. Then there s the Internet of Things where all kinds of things will be equipped with sensors taking measurements and communicating with one another. All of which means even more data. Dagelijks produceren we gigahoeveelheden aan data. Denk maar aan s,, foto s en video s die we posten op sociale media, de metingen van je sporthorloge enz. De hoeveelheid data die bedrijven als 26/35

27 Google, Facebook, Microsoft en Amazon verwerken groeit ook exponentieel. Daarnaast is er ook het internet der dingen - waarbij alle toestellen sensoren zullen bevatten die metingen doen en data uitwisselen (met elkaar en de cloud). Dat betekent nog meer data. Al deze data worden opgeslagen en verwerkt in de cloud, ofwel: het datacenter. Daar staan duizenden servers in racks die allemaal verbonden zijn met elkaar via een complex netwerk van (optische) glasvezelverbindingen. Om de exponentiele toename van data aan te kunnen, moet ook dit netwerk exponentieel opschalen. Er bestaat een zeer agressieve roadmap voor deze server-to-server communicatie: sinds 2016 worden in de meest geavanceerde cloud datacenters optische links en zendontvangers met een capaciteit van 100Gb/s geïnstalleerd; Tegen 2019 wordt een upgrade naar 400Gb/s verwacht, en een verdere opschaling naar 1.6 Tb/s tegen Cloud datacenters zijn bovendien zeer grote installaties, en de optische links dienen een bereik van minstens 500m te hebben. Bovendien dienen de optische links voor cloud datacenters in veel groter volume gefabriceerd te worden en aan een substantieel lagere kost dan traditionele oplossingen in telecom. Complex netwerk van optische glasvezelverbindingen in een cloud datacenter (Facebook) 27/35

28 Silicium fotonica Silicium fotonica is een interessante technologie om de essentiële bouwblokken die nodig zijn om een optische link te maken, in één chip te integreren. Deze technologie heeft als grote voordeel dat de optische componenten gemaakt kunnen worden met de geavanceerde toestellen waarmee ook microchips geproduceerd worden. Hierdoor zijn silicium fotonica-componenten relatief goedkoop, kan je een grote integratiedichtheid realiseren, een verminderd energieverbruik en een hoog productierendement. Precies wat onze datacenters nodig hebben om de explosieve groei van data aan te kunnen. Imec ontwikkelde een silicium-fotonicaplatform voor hogesnelheid optische links voor data- telecom- en sensor-toepassingen. Het platform gebruikt 200mm en 300mm SOI- (of silicium-op-isolator-) wafers als substraat. Het fabricageproces gebruikt een aangepaste 130nm CMOS-flow, uitgebreid met 193nm lithografie om de golfgeleiders te maken, en met germanium voor de fotodetectoren. Een bijkomende oxide/poly-silicium stack zorgt voor meer vrijheid in het ontwerp van de optische componenten. Deze stack wordt gebruikt om passieve componenten te integreren zoals optische koppelaars voor glasvezels, golfgeleiders en multiplexer-filters. Met het platform kunnen zowel passieve als actieve componenten (zoals opto-elektronische modulatoren, thermo-optische componenten en germanium-op-silicium fotodetectoren) samen geïntegreerd worden. Elektronische circuits (zoals drivers en transimpedantieversterkers (of TIA s)) kunnen op een aparte chip gemaakt worden en met het silicium-fotonicacircuit geassembleerd worden via flip-chip-technieken (samen verpakt tot één systeem). In deze circuits converteert de driver een standaard CMOS-bitsignaal in een elektrische stroom die compatibel is met de optische chip, terwijl de TIA de fotostroom versterkt tot een standaard CMOS-bitsignaal. Imec s 50Gb/s silicium fotonica-platform en -componenten 28/35

29 Zeer compacte en laagvermogen zendontvanger met 10x hogere bandbreedte dan huidige zendontvangers Wavelength-division multiplexing (WDM) en space-division multiplexing (SDM) zijn twee manieren om de bandbreedte van optische links te verhogen. Bij WDM worden de signalen gecodeerd op verschillende golflengtes van licht, die doorheen dezelfde optische vezel gestuurd worden. Dit is interessant vanuit kostenperspectief, zeker voor lange afstanden. Nadelen zijn wel het optische insertieverlies en de golflengtefilters die zeer gevoelig zijn aan temperatuur waardoor de vermogenefficiëntie negatief beïnvloed wordt. Zeker voor korte afstanden is SDM daarom een goed alternatief. Hier is vezelkost immers niet echt van doorslaggevend belang. Bij SDM wordt een vezel gebruikt met verschillende kernen waarin licht van één bepaalde golflengte in parallel wordt doorgestuurd. Vandaag worden voor de 100Gb/s optische links vier parallelle single-mode vezels gebruikt. Tijdens OFC2017, de belangrijkste conferentie op vlak van optische communicatie, toonde imec een unieke bouwblok van zijn siliciumfotonica-platform, geïntegreerd in een zeer compacte SDM-zendontvanger. De totale bandbreedte van deze zendontvanger is 896Gb/s, daar waar de zendontvangers in datacenters vandaag 100Gb/s aankunnen. Dit resultaat toont aan dat silicium fotonica een belangrijke rol zal spelen om de agressieve roadmap voor datacenters te kunnen volgen. De zendontvanger bestaat uit een reeks van 16 GeSi elektro-absorptie modulatoren (EAMs) aan de zenderkant en 16 GeSi fotodetectoren aan de ontvangerskant, allemaal geïntegreerd op één chip. Ze hebben elk een bandbreedte van 56Gb/s. De fotodetectoren zijn gebaseerd op dezelfde structuur als de modulatoren, maar werken met een andere bias spanning. De modulatoren en fotodetectoren staan heel dicht bij elkaar, op 100 micrometer afstand, waardoor de zendontvanger zeer compact kan worden gemaakt. Ook de golfgeleiders zijn compact en dicht geïntegreerd, evenals de vermogenverdelers en glasvezel koppelaarstructuren. Doordat zowel zend- als ontvangerkant in hetzelfde GeSi materiaal gemaakt worden, is de productie ervan zeer efficiënt en betaalbaar. Boven: Schema van compacte 896Gb/s SDM-zendontvanger (<1,5mm²) met een array van 16x56Gb/s GeSi NRZ-OOK modulatoren (zender) en fotodetectoren (ontvanger). Onder: Om de kwaliteit van deze zendontvanger te testen, werden de oogdiagramma s van alle 16 modulatoren en fotodetectoren bestudeerd. Het zijn allemaal mooie open oogdiagramma s hetgeen aantoont dat het signaal zonder bitfouten kan verstuurd en ontvangen worden. 29/35

30 Eén-kanaals 100Gb/s optische link met silicium fotonicamodulator In samenwerking met onderzoekers van de UGent demonstreerde imec ook de eerste realtime singlechannel 100Gb/s non-return-to-zero on-off-keying optische link in silicium fotonica. Hiervoor werd dezelfde ultracompacte GeSi modulator gebruikt. Deze werd gecombineerd met een door UGent ontworpen zender- en ontvangerchip in SiGe BiCMOS- technologie. De signaaloverdracht via deze optische link werd getest over een standaard single-mode optische vezel (SSMF) van 500m en een dispersion-shifted optische vezel (DSF) van 2km. De signaaloverdracht was succesvol zonder dat er een complexe digitale signaalverwerking (DSP) nodig was. Dit resultaat toont aan dat silicium fotonica de juiste technologie is om compacte en laagvermogen zenderontvangers te maken met schaalbare capaciteit voor toekomstige server-to-server verbindingen. Real-time 100Gb/s NRZ-OOK 1-kanaals optische link met de GeSi modulator. Interesse in silicium fotonica-componenten? De GeSi modulator zoals gebruikt in de twee bovenstaande demonstratoren is beschikbaar voor bedrijven en onderzoeksgroepen, net als andere componenten uit imecs silicium fotonica-platform. Dit kan via de imec-epixfab SiPhotonics:iSiPP50G service, dat onderdeel is van de Europractice silicium fotonica multiproject wafer (MPW) service. Meer weten? Je kan de technische papers over bovenstaande resultaten opvragen via De titels zijn Ultra-dense 16x56Gb/s NRZ GeSi EAM-PD arrays coupled to multicore fiber for short-reach 896Gb/s optical links en First real-time 100Gb/s NRZ OOK transmission over 2km with a silicon photonic electro absorption modulator. 30/35