Das Post-Silizium-Zeitalter

Während das Publikum auf der CeBIT die Gadgets von heute bestaunt, denken Forscher bereits über die Computertechnik von morgen nach. Denn ohne Nanoelektronik wird es Robotik im Alltag oder Programme zur Simultanübersetzung nicht geben.

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Von
  • Niels Boeing

Menschenmassen schieben sich wie jedes Jahr über die CeBIT, um die ultimativen Gadgets zu bestaunen, die sie sich im Laufe des Jahres leisten wollen. Technik von heute. Doch am Rande der größten Computermesse der Welt diskutieren Forscher bereits das Innenleben der Rechner von morgen. Denn seit Jahren ist klar: Die siliziumbasierte Halbleitertechnik, die heute MP3-Player und PCs zum Laufen bringt, wird in zehn bis fünfzehn Jahren das Ende der bislang ungebremsten Minaturisierung erreichen, wenn sie nicht generalüberholt wird. Schuld sind vor allem die zunehmende Abwärme der Chips und Kurzschlusseffekte aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik. Die Lösung soll die Nanoelektronik bringen.

„Es gibt schon etliche Nanotechnologien, die mit der heutigen Siliziumtechnik kombiniert werden können“, sagt Meyya Meyyappan vom Nasa Ames Research Center in Kalifornien. Von vieren erwarten sich Nanoforscher besonders viel. So könnten hauchfeine Kohlenstoffnanoröhren – „Nanotubes“ genannt – in Transistoren als leitender Kanal zwischen Quell- und Ablusselektrode dienen. Neue Materialien zwischen gekreuzten Siliziumnanodrähten, der so genannten Crossbar-Architektur, könnten äußerst platzsparende Schalter abgeben. Auch ist denkbar, dass Bits nicht durch die Ladungen von Elektronen transportiert werden, sondern durch deren quantenmechanische Eigenschaft des Spins – Grundlage für eine künftige „Spintronik“. Und schließlich wird intensiv an einer Verbindung von Nervenzellen und Siliziumtechnik geforscht.

Einen Ansatz für eine neue Crossbar-Technik sieht Kristof Szot vom Forschungszentrum Jülich in schaltbaren Oxiden von Übergangsmetallen, etwa Strontiumtitanat. Verändert man durch einen Strompuls die chemische Zusammensetzung dieses Materials zwischen zwei Nanodrähten, ändert sich ihr Widerstand. „Wir brauchen nur zwei Nanometer dünne Schichten, um den Widerstand um das Tausendfache zu steigern“, sagt Szot. Zwei Nanometer sind zwei Millionstel Millimeter, ein Dreißigstel der bislang kleinsten Strukturgrößen, die etwa Intel in der kommenden Chipgeneration realisiert hat. Ist die Schicht blockiert, könnte dies den Bitwert „0“ repräsentieren. Dieser Schaltvorgang lässt sich auch umkehren und dauert nur etwa eine Nanosekunde.

Nun könnte man diese Suche nach immer kleineren Schaltelementen für einen Selbstläufer der Computerindustrie halten, weil kleiner per se als besser gelte. Doch Rainer Waser, Sprecher des Jülicher Center of Nanoelectronic Systems for Information Technology (CNI) hält dagegen, dass die gegenwärtigen Speicherkapazitäten und Prozessorleistungen für kommende Anwendungen nicht ausreichen. „Wenn die CMOS-Technik, also die jetzige Halbleitertechnik, stehenbliebe, wären Haushaltsroboter schlicht unmöglich.“ Denn die werden in Echtzeit ungeheure Datenmengen verarbeiten müssen, damit der elektronische Butler seine Aufgaben bewältigen kann und nicht wie ein Tolpatsch durch die Wohnung taumelt. Dazu dürfen die Signalwege im Prozessor nicht zu lang sein, weil die Datenverarbeitung sonst nicht hinter den Anforderungen herkommt. Das gilt auch für andere Anwendungen wie Simultanübersetzungsprogramme in Handys oder Virtual Reality, die bislang noch recht unbefriedigende Erlebnisse bescheren.

In politischen Sonntagsreden wird immer wieder der Hightech-Rückstand Deutschlands beklagt. In Auto- und Chemieindustrie top, in Bio- und Informationstechnik flop, lautet die gängige Formel. Für Manfred Dietrich, im Bundesforschungsministerium Leiter des Referats „Nanoelektronik und –systeme, ein Mythos, der auch durch gebetsmühlenartiges Wiederholen nicht richtiger wird. „Viele vergessen, dass die Informations- und Kommunikationsindustrie hierzulande inzwischen so viele Arbeitsplätze hat wie die Autoindustrie.“ Und nicht nur das: Der Halbleiterindustrie in Dresden zeige, dass sich einiges bewegt habe. „In Dresden ist in den vergangenen zehn Jahren der größte Elektronikstandort in Europa aufgebaut worden“, betont Dietrich.

In der dortigen Mischung aus Chipherstellern, Forschung und Zulieferern sieht Chris van Hoof vom Mikroelektronikzentrum IMEC im belgischen Leuven ein Beispiel für jene Art von „Ökosystem“, das Forschungsergebnisse in marktreife Technologien umsetzen kann. Das Risiko einer solchen „offenen Innovation“ lasse sich dadurch vermindern, dass die gesamte Wertschöpfungskette einer Technologie in einer Region bedient werden kann.

Das Potenzial, ganz vorne in der kommenden Nanoelektronik mitzumischen, wird der deutschen Forschungsszene von internationalen Experten seit längerem bescheinigt. Ihre Konzepte brauchen keinen Vergleich etwa mit der medienwirksam publizierenden Konkurrenz in den USA zu scheuen. Ohnehin betonen amerikanische Analysten immer wieder, dass die US-Forschung in der Nanotechnik keinen Vorsprung gegenüber Europa oder Japan habe, wie dies in früheren Technikwellen immer der Fall war.

Prognosen, wann nanoelektronische Verfahren die heutige Halbleitertechnik ablösen, wollen die Experten auf dem Jülicher Zukunftsforum Information allerdings nicht wagen. Christof Kutter von Infineon Technologies glaubt eher, dass sie trotz der Miniaturisierungsgrenze bis 2030 die Basis von Prozessoren und Speicherchips bleiben wird. „Die neuen Technologien werden sich da einfügen.“ Eine Einschätzung, die CNI-Sprecher Rainer Waser teilt, „weil die Siliziumtechnik sehr ausgereift ist“. Einen breiten Durchbruch etwa von molekularer Elektronik oder Spintronik hält er erst ab 2030 für realistisch. Eine Prognose wagt er aber doch: „Die Robotik wird ein gigantischer Industriezweig werden.“ Da dürfte der Bedarf an nanoelektronischen Innovationen ja sicher gestellt sein. (nbo)