Durchbruch: Erster Nanoröhrenrechner gebaut

26. September 2013, 10:17
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Gelungener Proof-of-Concept mit 178 Transistoren als mögliche Rettung für das Moore'sche Gesetz

Forscher der Universität Stanford haben den ersten funktionierenden Prozessor auf Basis von Nanoröhren gebaut. Er verfügt über 178 Transistoren und läuft mit einer Taktung von nur einem Kilohertz. Doch die unspektakulären Zahlen trügen, handelt es sich doch um einen technologischen Durchbruch. Die Wissenschaftler haben ihre Erfindung im Magazin Nature veröffentlicht. Ars Technica berichtet.

Hürde genommen

Kohlenstoff-Nanoröhren sind derzeit kein besonders beliebtes Arbeitsmaterial für die Chipindustrie. Zur Chipherstellung müssen zwei verschiedene Arten der Nanoröhren kombiniert werden, die sich kaum in bestehende Herstellungsprozesse integrieren lassen.

Nun ist es den Wissenschaftlern gelungen, diese Hürden zu meistern und ihren Prozessor dazu zu bringen, mit Hilfe der Nanoröhren Code für ein multitasking-fähiges Betriebssystem auszuführen – wenn auch noch in Form eines einzelnen logischen Befehls.

Komplizierte Herstellung

Im Moment können die neuartigen Chips von den Herstellern im 10-Nanometer-Verfahren hergestellt werden, ein Durchmesser, den wahrscheinlich auch die Hersteller herkömmlicher Siliziumchips im Laufe der kommenden erreichen werden. Ihre hohe Leitfähigkeit verhilft ihnen jedoch zu mehr Energieeffizienz.

Die Herstellung eines Nanoröhrenrechners ist aufwendig. Bei IBM geht man den Weg, eine leicht herstellbare, gemischte Menge aus Nanoröhren wachsen zu lassen und die halbleitenden Exemplare auszufiltern. Der schwierige Teil ist, diese auf einem Leitungssatz so anzuordnen, dass sie funktionierende Schaltkreise bilden. Schon ein kleiner Fehler genügt, um am Ende mit einem nonfunktionalen Ergebnis da zu stehen.

Proof-of-Concept

Die Stanford-Forscher umgingen diese Schwierigkeit, in dem sie größere Transistoren bauten und direkt die gemischte Masse aus Nanoröhren auftrugen. Durch das Durchleiten von Spannung in einem speziellen Verfahren war es möglich, die leitfähigen Exemplare selektiv abzutragen. Eine mit Kohlenstoff-Nanoröhren umgesetzte Schaltungsanordnung ist laut den Forschern mehr als zehn Mal so energieeffizient wie herkömmlich produzierte.

Der Demonstrationsrechner konnte die logische Funktion SUBNEG ausführen. Diese bezieht eine Nummer aus einer Speicheradresse und subtrahiert sie von der Zahl einer zweiten, wo das Resultat auch gespeichert wird. Ist das Ergebnis negativ, kommt eine dritte Adresse ins Spiel.

SUBNEG ist "Turing complete", was bedeutet, dass sich mit dem richtigen Arrangement von SUBNEG-Einheiten jede beliebige andere Funktion ausführen lässt. Auf diesem Wege konnten weitere Befehle umgesetzt werden, die als Basis für zwei kleine Programme – einen Zähler und eine Sortierfunktion für Ganzzahlen - dienten. Ein rudimentäres Betriebssystem überwachte und verwaltete die verwendeten Speicheradressen sowie die zwei Programme.

Hoffnung

Wenngleich der Nanoröhren-Rechner noch extrem limitiert ist, weckt er Hoffnungen in der IT-Forschung. Denn es ist der erste praktische Nachweis, dass sich auf diesem Wege brauchbare Alternativen zu Siliziumtransistoren bauen lassen. Ist der Herstellungsprozess einmal perfektioniert und reif für die Massenproduktion, könnte die Entwicklung aus Stanford das Design und die Herstellung von Elektronik revolutionieren und eine neue Generation an Chips hervorbringen.

Auf diesem Wege könnte auch das sogenannte Moore'sche Gesetz weiter erfüllt werden. Die Faustregel ist seit über 40 Jahren gültig und besagt, dass sich Miniaturisierung von Computerelektronik immer weiter exponential fortsetzt, in dem sich rund alle anderthalb bis zwei Jahre die Anzahl der Transistoren auf Computerchips verdoppelt und die damit gebauten Geräte damit immer leistungsfähiger werden.

Wissenschaftler hatten bereits befürchtet, dass diese Regel ihre Gültigkeit bald verlieren könnte. Moore selbst gab ihr 2007 nur noch zehn bis fünfzehn Jahre Bestand. Aktuell benötigt die Tech-Industrie etwa 20 Monate für die Verdoppelung der Chip-Schaltkreiskomponenten. (red, derStandard.at, 26.09.2013)

  • Der erste Prozessor mit Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
    foto: university of stanford

    Der erste Prozessor mit Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

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