Wenn es nach aktuellen Trends in der Medizinforschung geht, dürfte es nicht mehr allzu lange dauern, bis chronisch Kranke klitzekleine Sensoren in ihren Körpern tragen, die an den Gesundheitszustand angepasste Messwerte automatisch und vor allem regelmäßig erfassen. So lassen sich Anomalien frühzeitig erkennen und womöglich Leben retten.
Damit das wirklich funktioniert, muss die Technologie allerdings noch deutlich schrumpfen – auf das Maß eines Sandkorns, wie Wissenschaftler hoffen. Langlebige Batterien, die kaum größer sind, gehören ebenfalls zu solchen implantierbaren Sensoren.
Noch ist die passende Technik nicht verfügbar. Forscher an der University of Michigan haben nun aber einen Prozessor hergestellt, der nur einen Quadratmillimeter Platz benötigt und dessen Stromverbrauch so gering ist, dass er sich von einer Dünnfilmbatterie speisen lässt, die selbst kaum größer ist. So könnte ein solcher Sensor zehn Jahre lang im Körper verbleiben, sagt David Blauuw, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Universität, der zu den leitenden Forschern des Projektes gehört.
Kombiniert mit der Batterie nimmt der "Phoenix" genannte Chip gerade einmal ein Volumen von einem Kubikmillimeter in Anspruch. Mit dieser Größe könnte man ihn beispielsweise in etwas dickere Kontaktlinsen einbauen, um den Augeninnendruck bei Menschen mit grünem Star zu messen. Auch eine Implantation in die Haut zur Überwachung der Blutzuckerwerte in der subkutanen Flüssigkeit von Diabetes-Kranken ist denkbar. Selbst als Giftschnüffler in der Umwelt wäre der Chip verwendbar oder als Sensor, der die Bausubstanz eines Hauses lange Jahre überwacht.
Der Phoenix-Prozessor verbraucht nur 30 Picowatt (also ein Millionstel eines Millionstel Watt), wenn er nicht unter Last läuft. Aktiviert werden nur 2,8 Picojoule Energie pro Rechenzyklus benötigt. Diese Menge ist ungefähr ein Zehntel der Energie, die die heute auf dem Markt verfügbaren energieeffizientesten Chips verbrauchen, sagt Jan Rabaey, Professor für Elektrotechnik an der University of California in Berkeley, der die Blauuw-Studie kennt.
Das Team aus Michigan wollte einen Chip kreieren, der mit extrem geringer Spannung läuft. Während Mikroprozessoren in PCs zwei Volt pro Operation benötigen, reichen Phoenix nur 500 Millivolt – 75 Prozent weniger.
Bei dieser Spannung operieren einige Teile des Chips allerdings nicht besonders gut, erklärt Blaauw. Aus diesem Grund überarbeiteten die Forscher den Speicher, der kleiner ist als bei den meisten regulären Prozessoren. Außerdem wurde der innere Taktgeber so verändert, dass er mit minimalem elektrischen Input läuft. Das ergibt einen extrem niedrigen Taktrate von 100 Kilohertz, während man im PC-Bereich längst in Gigahertz denkt. Dieser Ansatz ist für Sensoren aber auch durchaus sinnvoll, sagt Blaauw. "Wenn wir den Druck im Auge überwachen wollen, müssen mir nur alle paar Minuten Messwerte nehmen."
Ebenfalls wichtig war den Forschern, den Energieverlust zu minimieren, der entsteht, wenn sich der Chip im Schlafmodus befindet, also keine Daten sammelt oder verarbeitet. Transistoren in den neuesten Rechnern werden in einem 45-Nanometer-Prozess hergestellt. Das ermöglicht es, mehr Transistoren auf einem kleineren Chip unterzubringen, führt aber auch zu elektrischen Verlusten – das ergibt sich schon aus den physikalischen Umständen dieser Größenverhältnisse. Blaauw und sein Team nutzen deshalb größere Transistoren in einem 180-Nanometer-Prozess, der aus einer älteren Chipgeneration stammt. Diese Transistoren seien "genau richtig dimensioniert", meint Blaauw. Sie sind groß genug, um Verluste zu verringern und trotzdem klein genug, um genügend Rechenleistung auf dem Quadratmillimeter unterzubringen.
Zusätzliche Spezialtransistoren sorgen außerdem dafür, dass die Stromversorgung zu den verarbeitenden Transistoren vollständig abgeschaltet wird, wenn sich der Chip im Stand-by-Modus befindet. Dieser Ansatz sei zwar auch bei anderen Prozessoren üblich, meint Blaauw, doch sein Team habe die Idee auf die Spitze getrieben und wesentlich größere Bereiche für die Energiespar-Transistoren verwendet. "Wenn sich das ein normaler Chip-Designer ansieht, wird er uns für verrückt erklären. Doch wir erhalten dadurch die Energiesparmöglichkeiten, die wir brauchen." Der rekordverdächtige Prozessor entstand also aus einer Kombination bekannter und verbesserter Chipdesign-Tricks.
Noch fehlt in dem Konstrukt die Batterie, wie Blaauws Kollege Dennis Sylvester, ebenfalls Professor an der University of Michigan, einräumt. Phoenix braucht außerdem noch eine Schnittstelle nach außen, über die die Daten zur weiteren Analyse ausgelesen werden können. Sobald dieses Problem gelöst ist, können die Forscher an der vollständigen Integration mit biologischen Systemen arbeiten. Letzteres dürfte allerdings Jahre dauern.
Berkeley-Forscher Rabaey, der derzeit an einem Buch über Energiespar-Chips arbeitet, meint, dass die Arbeit der Michiganer Forscher bedeutsam sei: "Was mich beeindruckt hat, ist, dass das Team die Zahlen auf die Spitze treiben konnte. Der Energieverbrauch ist extrem niedrig. Das hat vorher so noch niemand geschafft." Der Prozessor ist allerdings nur für Sensoranwendungen gedacht und wird wohl kaum seinen Weg in Handys oder andere Mobilelektronik finden. Er sei aber ein wichtiger Schritt hin zu medizinischen Implantaten, deren Batterien Jahre halten, meint Rabaey.
Die Idee, Chips mit derart geringem Energieverbrauch zu bauen, ist nicht neu. So arbeitet etwa die Uhrenindustrie seit Jahren sehr erfolgreich auf diesem Gebiet. Das Interesse an Universitäten und in der Industrie an der Technik wächst in den letzten Jahren jedoch ständig: Ingenieure suchen nach immer vielfältigeren Wegen, Sensoren nahezu überall zu platzieren. Und genau hier seien Energiesparmechanismen ungemein wichtig, sagt Rabaey.
Dieser Text ist der Zeitschriften-Ausgabe 08/2008 von Technology Review entnommen. Der Artikel steht auch als kostenpflichtiges pdf im Heise Kiosk zum Download bereit.
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