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12.09.2011
Folge 287

Chips aus Nanomagneten

Heinz Schmitz

Elektronische Schaltkreise bestehen heute aus Halbleitern die aus Silizium gefertigt werden. Der Elektronenfluss wird freigegen oder gesperrt. Dadurch werden die Null und Eins repräsentiert, mit denen  unsere Rechner arbeiten. Geht es nach Physikern der University of California (UC) in Berkeley (http://newscenter.berkeley.edu/2011/07/01/magnetic-memory-and-logic-could-achieve-ultimate-energy-efficiency), könnten Computerchips der Zukunft stattdessen aus Nano-Stabmagneten bestehen. Allerdings sind diese magnetischen Schaltkreise bisher nur theoretisch möglich. Allerdings, so zeigen die Simulationen der Wissenschaftler wären sie extrem energieeffizient. Denn da kein Strom fließt, kommt es auch nicht zu daraus resultierenden Energieverlusten.

Nach der Meinung der Forscher um Jeffrey Bokor ist es jedoch möglich, echte Schaltkreise zu bauen, die am Landauer-Limit arbeiten. Das Landauer-Limit (http://de.wikipedia.org/wiki/Landauer-Prinzip) ist die theoretische Untergrenze für den Energieverbrauch einer Rechenoperation aufgrund von physikalischen Prinzipien. Er liegt eine Mio. Mal niedriger als der Verbrauch heutiger Computer.


Magnet im Nanoformat statt fleißender Elektronen. So könnten energieeffiziente Computerschaltkreise der Zukunft aussehen. (Quelle: Bokor lab, UC Berkeley)

Der deutsch-amerikanische Physiker und IBM-Forscher Rolf Landauer hat 1961 aufgrund der Gesetze der Thermodynamik ein Prinzip formuliert, nach dem ein irreversibler Rechenschritt in einem Computer ein gewisses Minimum an Energie erfordert. Heutige Elektronik kommt dieser theoretische Untergrenze nicht einmal nahe, da allein der elektrische Widerstand der Elektronenbewegung in den Schaltkreisen zu viel höheren Verlustleistungen führt. Bei einem magnetischer Computer dagegen gibt es keinerlei bewegte Elektronen und so werden die entsprechenden Verluste vermieden.

Die Wissenschaftler haben in einer Simulation erforscht, ob magnetische Schaltkreise wirklich funktionieren würden. Dabei haben sie Speicher- und Logikelemente betrachtet, die aus 100 Nanometer breiten und 200 Nanometer langen Stabmagneten bestehen. Die Ausrichtung der Magnetpole gibt dabei Bit-Werte wieder. Wie sich zeigte, interagieren mehrere Nanomagneten auf engem Raum tatsächlich so, dass sie sich wie ein Transistor verhalten - der Grundbaustein logischer Schaltkreise. Die für eine Operation verbrauchte Energie liegt dabei zumindest sehr nahe an der theoretischen Untergrenze.

Bis zur praktischen Umsetzung hocheffizienter Magnet-Computer ist der Weg freilich noch weit. Zum Schalten von Nanomagneten dienen bislang elektrisch induzierte Magnetfelder, was viel Energie verbraucht. Die Forscher hoffen, dass neue Materialien das überflüssig machen können. Zudem wären hocheffiziente Magnet-Schaltkreise relativ anfällig für Störungen wie zufällige thermische Effekte oder äußere elektromagnetische Felder. Bokor zufolge wird es daher eine Herausforderung darstellen, zuverlässig richtige Rechenergebnisse zu erhalten.

Dennoch sind die Forscher davon überzeugt, dass sich die Bemühungen lohnen könnten. Wenn Sie nur bis Faktor zehn, an das Landauer-Limit herankommen, würde schon das den Energieverbrauch von Elektronik massiv reduzieren.


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