Din telefon innehåller dem. Förmodligen också din bilnyckel och snart kanske även ditt kylskåp. När fler och fler produkter kopplas upp blir halvledare en kritisk komponent. Och som blev väldigt tydligt under pandemins leveransstopp – i de flesta fall tillverkas utanför Europa. 

Än så länge.  

Europas beroendeställning gör många företag sårbara 

För just nu, under slutet av 2023 och de närmaste åren framåt, pågår arbetet med the European Chips Act, ett EU-initiativ som ska stötta europeisk tillverkning av halvledare. Samtidigt pågår säkerhetsarbete inom RISC-V, och det här är bara två av många delar i EU:s satsning på så kallad digital suveränitet. 

– Europa har idag en beroendeställning gentemot omvärlden både när det gäller hårdvara och mjukvara, säger Björn Forsberg, forskare på RISE. 

– En stor del av de europeiska företagens värdekedjor kan inte fyllas med europeisk teknik eller europeiska tjänster som läget är nu. Det gör både företagen och länderna sårbara, och det vill man göra något åt genom satsningen på digital suveränitet.  

För det första för att minska hotbilder: ingen vill sitta i en sådan situation som vi befann oss i under pandemin när europeiska företag hade svårt att få tag på kritiska komponenter. Ingen vill heller riskera att stå under utpressning i ett handelskrig. För det andra för att ge europeisk innovation inom den digitala sektorn en rejäl knuff framåt. 

– De här satsningarna, framförallt inom öppen källkod, kommer att ge enormt mycket till den europeiska ekonomin eftersom gemensamma standarder gör det lättare att samarbeta kring forskning och innovation. Nu behöver inte alla uppfinna hjulet själva i varje projekt utan kan samarbeta mycket enklare. 

Standarder definieras innebär möjlighet för forskning och företag 

Och det handlar långt ifrån bara om halvledare. I satsningen på digital suveränitet ingår vitt skilda saker inom ett brett spektrum: GDPR-lagstiftningen som ska se till att europeisk data inte hamnar i fel händer, arbetet med RISC-V för att stärka datasäkerheten, men också satsningar på standarder, öppen källkod och annan mjukvara. Björn Forsberg menar att även om arbetet med digital suveränitet har några år på nacken är det nu man går in i den riktigt spännande perioden, sett ur ett företagsperspektiv.   

– Just nu är vi i en väldigt intressant tid både när det gäller hårdvaru- och mjukvarudesign eftersom det är nu standarden definieras. Det innebär jättemöjligheter för svensk forskning och svenska företag, men då kan man inte bara sitta och vänta. 

En uppmaning som gäller för alla branscher, oavsett om det är självkörande lastbilar eller mikrochips man tillverkar. Men vad behöver man då göra för att vara med och påverka utvecklingen? Björn Forsberg menar att man måste börja hos sig själv, ta reda på vilka som är de egna behoven, hur det nuvarande ekosystemet motsvarar dem och vad som saknas. 

– Därefter är det dags att engagera sig, eller i alla fall informera sig om hur det här ekosystemet bör byggas för att bli så attraktivt som möjligt. Viktigast är att inte ställa sig utanför, för om man ställer sig utanför stora, framväxande standarder blir man förr eller senare omkörd. 

Bra med utifrånperspektiv för att hitta nya affärsmöjligheter 

Men att sätta sig in i satsningen på digital suveränitet är inte det lättaste, just eftersom den spänner över så stora områden. RISE har specialister inom i princip alla de områden som berörs. Det innebär dels att det finns specialistkunskap, men också att det finns omvärldsbevakning och en förståelse för hur alla de här delarna sätts ihop till en helhet. 

– Även om företagen kan sin egen verksamhet bäst kan det vara bra att få ett utifrånperspektiv på det hela. Annars är risken att man som företag bara söker lösningar på problem man redan har, men missar alla de möjligheter som finns om man ser helheten. 

Och att vänta och se menar Björn Forsberg är en riskabel strategi. 

– Hoppar man på nu slipper man lösa grundproblemen, men har samtidigt alla möjligheter att påverka framtidens standarder. Om man däremot väntar i några år får man inte vara med och utveckla de standarder som kommer att dominera ekosystemen lång tid framöver. Det är nu saker faktiskt går att realisera. 

Hans Christian Ørsted och André-Marie Ampère

1820 visade den danske fysikern Hans Christian Ørsted att magnetism och elektricitet hör ihop, genom att visa att en kompassnål avviker från norr i närheten av en elektrisk ström. Detta beror på att strömmen skapar ett magnetiskt fält runt den elektriska ledaren som påverkar andra magnetfält i närheten, i detta fall kompassnålens magnetfält.

Denna upptäckt inspirerade den franske matematikern och fysikern André-Marie Ampère att forska vidare kring kopplingen mellan elektricitet och magnetism. Han upptäckte att två strömförande ledare utövar en dragningskraft på varandra, om strömriktningen är den samma i båda ledarna, och att de stöter bort varandra om de har motsatt strömriktning.

Måttenhetssystem växte fram

Med tiden växte behovet av ett standardiserat måttenhetssystem för el:

• 1893 föreslog IEC (International Electrical Congress) att ohm och ampere skulle vara basenheterna i ett gemensamt måttenhetssystem. 
• På 1921 års Allmänna konferens för mått och vikt i Paris lade man formellt till ampere som en enhet för elektrisk ström.
• 1948 beslutades definitionen av en ampere, en definition som utgick från André-Marie Ampères upptäckter mer än hundra år tidigare.
• 1960 blev ampere officiellt en av basenheterna i det internationella måttenhetssystemet SI.

Definitionen av 1 ampere – en omöjlig historia

Beslutet 1948 innebar att 1 ampere definierades som den ström som när den passerar genom två oändligt långa, raka och parallella ledare, med försumbart tvärsnitt och en meters avstånd mellan varandra, ger upphov till en kraft på 2x10^-7 newton per meter mellan ledarna.

Den uppmärksamme noterar att det utifrån denna definition verkar omöjligt att realisera, "tillverka" exakt en ampere i verkligheten. Det är trots allt inte möjligt att tillverka två oändligt långa ledare. Men definitionen gav ändå möjlighet att göra en praktisk realisering av ampere genom en så kallad amperevåg, där en känd massa balanserades mot en elektromagnetisk kraft från strömmen i ett antal spolar. Genom noggranna mätningar av spolarnas dimensioner kunde strömmen bestämmas med tillräckligt liten mätosäkerhet.

Ohms lag

Ohms lag formulerades av den tyske vetenskapsmannen Georg Ohm 1827 och beskriver förhållandet mellan elektrisk ström (ampere), spänning (volt) och resistans (ohm) och är en av de enklaste och mest användbara ekvationerna inom fysiken:

I = U / R

där I är strömmen, U är spänningen och R är resistansen. Det innebär att om man känner till två av värdena kan den tredje beräknas med hjälp av formeln. Om spänningen och resistansen i en krets är kända, kan strömmen enkelt räknas ut.

De tre enheterna hör alltså ihop. För att förstå det kan man göra en enkel jämförelse med ett vattensystem, där spänning motsvarar vattentrycket, strömmen motsvarar hur mycket vatten som flödar i ledningen och resistansen ledningens diameter. Om man vet diametern och vattentrycket är det enkelt att räkna ut hur mycket vatten som flödar. På samma sätt är det enkelt att räkna ut trycket om man vet diametern på röret och hur mycket vatten som flödar genom ledningen.

Bakvänd mätning

På 70- och 80-talet började elektriska mätinstrument bli så bra att amperevågen inte var tillräckligt noggrann. Samtidigt gjorde vetenskapliga genombrott inom kvantmekaniken det möjligt att realisera volt och ohm baserade på naturkonstanter. Med hjälp av Ohms lag kunde man då bestämma även ampere med väldigt liten mätosäkerhet.

Volt (spänning) realiseras med Josephson-effekten och ohm (resistans) med kvanthall-effekten. Båda dessa kvantmekaniska fenomen har belönats med nobelpris och har förändrat hur vi definierar och mäter dessa storheter. 

Rent praktiskt användes alltså de härledda enheterna volt och ohm för att realisera ampere. Detta verkar så klart bakvänt. Tanken var ju att basenheterna i SI-systemet skulle användas som bas för de härledda enheterna, inte tvärtom. Anledningen till detta var att spänning och resistans kunde mätas med mycket mindre mätosäkerhet än elektrisk ström. Problemet var dock att denna metod inte baserades på definitionen av ampere, även om realiseringarna av volt och ohm är väldigt exakta.

Omdefiniering av ampere 2019

2019 ändrades så definitionen för ampere inom SI-systemet. Istället för att baseras på kraften mellan två oändligt långa elektriska ledare så definieras ampere via värdet på elementarladdningen e. Elementarladdningen gavs samtidigt ett fastställt värde på 1,602 176 634 ∙ 10^-19 C, där enheten coulomb, C, kan uttryckas som A∙s, ampere gånger sekund.  Det betyder att en ampere motsvarar ett laddningsflöde på 1 coulomb, det vill säga ungefär 6,241 509 074 ∙ 10¹⁸ elektroner, per sekund. Genom denna omdefinition blev även realiseringarna av volt och ohm korrekta enligt SI-definitionen.

Riksmätplatsen för elektriska storheter

Den nya definitionen gör det dock inte enkelt att faktiskt realisera ampere utifrån sin definition. Det kräver extremt noggrann räkning av ett oerhört stort antal enskilda elektroner. Även om det är möjligt är det en teknik som är i sin linda och som behöver fortsätta utforskas. I praktiken används Ohms lag och realisationer av volt och ohm genom Josephsoneffekten och kvanthall-effekten därför fortfarande för att realisera ampere. Det är denna metod vi använder för att realisera den nationella standarden för ampere på riksmätplatsen för elektriska storheter hos oss på RISE.