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DNA-Computer und nichtlineare Systeme: TU Dresden will in elektronisches Neuland vorstoßen

Prof. Gerhard Fettweis tüftelt in der Informatik-Fakultät der TU Dresden an der Nanoelektronik von übermorgen - nachdem er sich zuvor als LTE-Koryphäe ausgetobt hatte. Abb.: hw

Prof. Gerhard Fettweis tüftelt in der Informatik-Fakultät der TU Dresden an der Nanoelektronik von übermorgen - nachdem er sich zuvor als LTE-Koryphäe ausgetobt hatte. Abb.: hw

40 Millionen Euro teures Nanoelektronik-Zentrum geplant

Dresden, 14.5.2012. Mit einem 40 Millionen Euro teuren „Center for Advancing Electronics Dresden“ (cfAED) will die TU Dresden – falls sie eine Förderzusage erhält – in den kommenden fünf Jahren über die Grenzen der heutigen Mikroelektronik hinausschauen. Das Exzellenzteam um Prof. Gerhard Fettweis möchte sich dabei von der traditionellen Silizium-Technologie lösen und zum Beispiel chemische, biologische sowie Nanokarbon-basierte Computer testen.

Das neue Forschungszentrum mit 5400 Quadratmetern Nutzfläche für Labore, Wissenschaftlerbüros und ein Nanoanalyse-Technikum soll auf dem TU-Campus im Dresdner Süden gebaut werden und rund 180 Forscher beschäftigen, kündigte Fettweis an und informierte damit erstmals über Details seines Exzellenz-Projektes. Um diesen „Nukleus“ will er ein Netzwerk von Forschungspartnern an den Max-Planck-, Fraunhofer-, Helmholtz- und Leibniz-Instituten in Dresden sowie an der TU Chemnitz knüpfen. Außerdem sollen über 30 Industriepartner mit an Bord sein.

Abkehr von der CMOS-Technologie
Die Visualisierung zeigt eine mögliche Kombiation von Silizium-Nanodrähten. Abb.: TUD

Die Visualisierung zeigt eine mögliche Kombiation von Silizium-Nanodrähten. Abb.: TUD

Dabei sollen sich die Teams von den Limitierungen der „CMOS“-Technologie lösen, mit der heutige Chipfabriken mit immer kurzwelligeren Belichtern, mit Ätzern und anderen Anlagen immer feinere Transistoren (Mini-Schalter) und Leiterbahnen auf Siliziumscheiben (Wafern) zu erzeugen versuchen. Die physikalische Grenzen von CMOS seien bisher zwar immer weiter hinausgeschoben worden, aber dennoch mit der Annäherung an die Welt der einzelnen Atomlagen inzwischen in Sichtweise gerückt, argumentiert Fettweis. „Außerdem beschäftigt sich schon die Industrie mit Milliardenaufwand an der Verfeinerung der CMOS-Technologie“.

Vielmehr soll das neue Zentrum für fortgeschrittene Elektronik für die Halbleiter-Branche Wege in ein Neuland ebnen, das bisher nur punktuell erforscht wurde. „Dabei schweben uns mehrere Pfade vor“, sagt der Professor. „Wir denken da zum Beispiel an Silizium-Nanoröhrchen, an den Kohlenstoff-Pfad, die organische Elektronik, an biomolekulare Selbstkonstruktion und das ,nasse Rechnen‘ durch chemische Reaktionen.“

Nanoröhrchen aus Kohlenstoff und Silizium

Den „Kohlenstoff-Pfad“ haben auch schon andere Elektronikforscher weltweit ins Visier genommen. Dabei könnten zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs – eine Art zusammengerollte Graphit), die Strom viel besser als Kupfer leiten, zu superschnellen Schaltungen vernetzt werden. Der Vorteil der Dresdner: Die hiesigen Fraunhofer-Forscher haben erst kürzlich ein weltweit einmaliges Verfahren für die Massenproduktion von elektronischen CNTs entwickelt (Wir berichteten).

Auch das Wundermaterial „Graphen“ aus einlagigen Kohlenstoffatom-Netzen, das Quantenpunkte als Rechennetzwerk verwenden könnte, ist im Blick der Forscher. Und als weitere Alternative wollen Fettweis und seine Kollegen auch CNT-ähnliche Silizium-Nanodrähte untersuchen.

Chip-Selbstkonstruktion nach genetischem Vorbild
Szenario für selbstkonstruierende Molekularschaltungen aus Micro-Tubuli und Quantenpunkten. Abb.: TUD

Szenario für selbstkonstruierende Molekularschaltungen aus Micro-Tubuli und Quantenpunkten. Abb.: TUD

Das biomolekulare Assembling wiederum nutzt Mechanismen der belebten Natur: Ähnlich wie DNA-Halbspiralen immer zu ihren passgenauen Gegenmolekülen finden, um so ganz bestimmte Gewebe zu erzeugen, könnte man auch ganz andere Biomolueküle „programmieren“, die metallisierte Rechner-Strukturen erzeugen – bis hin zu Magnetspulen und anderen Bauelementen gemischt analog-digitaler Schaltungen, die mit heutigen CMOS-Technologien nur schwer zu schaffen sind.

Software, die sich selbst an die Hardware anpasst

Neben diesen und anderen Materialforschungen haben sich die cfAED-Teams auch Querschnittskonzepte auf die Agenda gehoben. Dazu gehören zum Beispiel neuartige Computer-Programmiertechniken, bei der Software nicht mehr für jede Rechnerarchitektur mühsam umgeschrieben werde muss (Beispiel: Textprogramme wie „Word“, die auf Intel-PCs und Apple-Macs laufen sollen), sondern sich selbstständig an die vorgefundene Hardware anpasst.

Aufgaben-Lösung per Mehrheits-Entscheid

Auch die Ausfallsicherheit ist ein Thema: So, wie heute schon in Raumschiffen oder Airbus-Flugzeugen mehrere gleichartige Computer parallel über einer Aufgabe brüten, um dann per „Mehrheitsentscheidung“ zum sichersten Ergebnis zu kommen, werden auch die Rechner von übermorgen „redundante“ Architekturen benötigen.

Denn schon heute kann ein unsichtbares Alpha-Teilchen (winzige Atomkerne, die die Atmosphäre tagtäglich queren) Prozessoren bei einem Aufprall durcheinander bringen – in den noch feineren Chips der Zukunft wird dieses Problem zunehmen. „Wir müssen letztlich aus Komponenten, die einzeln etwas unzuverlässig sind, ein sicheres Ganzes schmieden“, betont Fettweis.

Nichtlineare Systeme wie das Gehirn als Vorbild

Zum Kürprogramm des geplanten Zentrums gehört auch ein richtig anspruchsvolles Thema: die nichtlinearen Systeme. „Es ist doch faszinierend, dass unser Gehirn mit einer Energieleistung von 20 Watt Aufgaben löst, die wir mit Supercomputern von mehreren Megawatt Verbrauch kaum bewältigen“, schwärmt der Professor.

Möglich machen dies bisher wenig erforschte „Techniken“ biologischer Systeme, die sich dynamisch an die aktuellen Aufgaben anpassen. Das Auge zum Beispiel arbeitet logarithmisch: Treffen doppelt so viele Photonen (Lichtteilchen) auf die Netzhaut, nimmt der Mensch dies nicht als eine Verdoppelung der Helligkeit wahr – vielmehr passt sich das Auge so an, das es das Maximum an Bildinformationen bei gegebener Helle auswerten kann.

Grätenwachstum bei Fisch „wundersam“ synchron

Ein anderes Beispiel ist das Fischgräten-Wachstum: Die Flossentiere beherrschen einen Synchronisierungsprozess, der verhindert, dass das Wachstum der einzelnen Knochen allzu sehr voneinander abweicht. Anscheinend handelt es sich um einen Abgleichprozess zwischen den Nachbargräten – wobei in der Summe erstaunlicherweise Synchronität zu Stande kommt.

In heutigen Computern hingegen wird ein zentraler synchroner Takt ausgegeben, der wegen der Konstanz der Ladungsträger-Geschwindigkeit so verteilt werden muss, dass er an allem Speicherzellen und Rechenwerken gleichzeitig ankommt. Die Chipdesigner behelfen sich damit, dass sie eigentlich sinnlose Umweg-Leiterbahnen einplanen, damit das Taktsignal überall synchron ankommt.

„Revolutionäre Problemlösungen“ im Blick

Gelinge es, die nichtlinearen Prinzipien der Natur auf technologische Systeme zu übertragen, könnte das zu „revolutionären Problemlösungen“ führen, ist Fettweis überzeugt.

Noch ist allerdings nichts entschieden: Mitte Juni wird der Bund voraussichtlich über das Fettweis-Projekt und andere Exzellenz-Anträge der TU Dresden entscheiden. „Drücken Sie uns die Daumen“, sagt Fettweis, dem man unter seinem Lächeln die Anspannung anmerken kann. Heiko Weckbrodt

Weitere Infos zum geplanten Zentrum für fortgeschrittene Elektronik gibt es hier.

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