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Computer erfinden sich selbst neu

Die Silizium-Nanodrähte (blau) können alle Funktionen eines Transistor-Minischalters mit Tor (Gate), Ladungsquelle (Source) und Ladungsziel (Drain) annehmen. Grafik und Mikroskop-Foto: Namlab

Die Silizium-Nanodrähte (blau) können alle Funktionen eines Transistor-Minischalters mit Tor (Gate), Ladungsquelle (Source) und Ladungsziel (Drain) annehmen. Grafik und Mikroskop-Foto: Namlab

Mal Rechenkünstler, mal Strom-Knauserer: Dresdner Silizium-Nanodrähte wollen Chips mit gespaltenen Persönlichkeiten ermöglichen

Dresden, 14. Dezember 2017. Elektronikforscher aus Dresden arbeiten gemeinsam mit internationalen Kollegen an Computerchips, die sich selbst auf der untersten Hardware-Ebene neu verschalten können. Ihre kleinsten Bauelemente sind 20 Nanometer (Millionstel Millimeter) dünne Silizium-Drähte („Si Nanowire“), die sich per mal zu einem Rechenwerk, dann wieder zu einem Speicher organisieren. „Diese Technologie könnte besonders interessant für das Internet der Dinge sein“, schätzt Prof. Thomas Mikolajick vom „Namlab“ der TU Dresden ein, der das Projekt koordiniert.

Von schnell auf sparsam schalten – auf Schalterebene

Denn im „Internet of Things“ werden auch viele Kleinstgeräte vernetzt sein, die stunden- oder gar tagelang mit minimaler Energiezufuhr „überleben“ müssen – um dann von einem Moment auf den anderen aufwendige Matherätsel zu lösen, die nicht nur viel Rechenkraft, sondern auch viel Strom fressen. Heutige Chips sind dafür meist zu sehr spezialisiert: Entweder sie sind gute Prozessoren oder gute Speicher, verbrauchen wenig Strom oder sind schnelle Rechenkünstler. Zwar können moderne Prozessoren zum Beispiel ganze Chip-Komponenten abschalten, um gelegentlich Strom zu sparen – aber die einzelnen Bauelemente, die Transistoren selbst, beherrschen diese Kunst nicht.

Flaschenhals zwischen Rechenwerk und Speicher vermeiden

Die Silizium-Nanodrähte aus Dresden dagegen können sich auf Befehl immer wieder umspezialisieren, können mal zum „n-Transistor“, mal zum „p-Transistor“ werden, wie es in der Fachsprache heißt. Und dies nicht nur vorübergehend, sondern sie können sich ihre neue Funktion auch merken, wie Prof. Mikolajick und seine Kollegen nun experimentiell nachgewiesen haben. Diese Fähigkeit könne daraus konstruierte Computer womöglich gar befähigen, typische Bremsen der „Von-Neumann-Architektur“ zu lösen, mit der alle modernen Rechner zurechtkommen müssen, meint der Dresdner Nanoelektroniker.

Wie Prozessoren rechnen

Dazu muss man wissen, dass heutige Computer ziemliche Umstandskrämer sind, wenn es etwas zu berechnen gilt: Für die Aufgabe „3 + 5 = ?“ zum Beispiel holt die Steuereinheit im Prozessorkern zunächst die Ziffer „3“ aus dem Arbeitsspeicher, schleust sie über eine „Bus“ genannte Datenstraße in eine Register genannte Spezialspeicherzelle im Prozessorkern, holt sich dann die „5“ aus dem Speicher, addiert beide Zahlen und schickt sie zurück gen Speicher.

Seit von Neumann gilt strickte Trennung von Speicher und Rechenwerk in der Computerwelt

Dies liegt wiederum in der „Von-Neumann-Architektur“ digitaler Rechner begründet, die Rechenwerk und Speicher strickt trennt. Benannt ist diese Architektur nach dem Mathematiker John von Neumann (1903-1957). Würde man Chips dagegen per Software mal in einen Speicher, mal in ein Rechenwerk verwandeln – wie etwa durch die Namlab-Bauelemente –, könnte die Datenschleuserei minimiert werden.

"Cool Silicon"-Koordinator Prof. Thomas Mikolajick spiegelt sich in einem Chip-Wafer in der "CoolX"-Schau. Foto: Heiko Weckbrodt

“Cool Silicon”-Koordinator Prof. Thomas Mikolajick spiegelt sich in einem Chip-Wafer in der “CoolX”-Schau. Foto: Heiko Weckbrodt

Auch Intel, Glofo und TSMC erwägen Umstieg auf Nanowires

Das einst gemeinsam mit dem Speicherkonzern Qimonda gegründete Namlab der TU Dresden kooperiert bei diesem Forschungsvorhaben mit dem „cfaed“, dem Exzellenz-Zentrum für fortgeschrittene Elektronik Dresden, das auf dem TU-Campus verschiedene Wege zur Nanoelektronik von übermorgen auslotet. Wenn die TU Dresden bei der nächsten Exzellenz-Fördergeldvergabe des Bundes wieder zum Zuge kommt, wollen die Elektroniker auch ihre Nanodraht-Programm erweitern.

„Im nächsten Schritt möchten wir komplette Systeme auf dieser Basis entwickeln“, kündigte Mikolajick an. Auch deshalb verzichte das Namlab weitgehend auf Experimente mit sich selbstorganiserenden Nanodrähtchen, sondern setzt bei der Herstellung auf möglichst industrie-nahe Verfahren, um die großen Chipkonzerne mit ins Boot zu holen. „Wir rechnen damit, dass nahezu jeder von den ganz Großen wie Intel, TSMC oder Globalfoundries eher oder später Siliziumnanodrähte erproben wird.“

Autor: Heiko Weckbrodt

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