 Der Angriff der Nano-Chips
Die Tage des Silizium-Transistors sind längst gezählt. Heißeste Kandidaten für die Nachfolge des Chip-Herzstücks sind Schaltkreise, die auf der Nanotechnik basieren.
Von Niels Boeing
Wer sich je einen Computer angeschafft hat, kennt dieses Leid: Wenige Monate genügen, um das gute Stück alt aussehen zu lassen. Die neuen Modelle haben noch schnellere und mächtigere Prozessoren - zum selben Preis natürlich.
Der Grund dafür ist ein gut eingespieltes Pingpong zwischen Softwareindustrie und Chipherstellern. Immer komplexere Programme, immer realistischere 3D-Welten in Spielen, immer schnellere und umfangreichere Downloads von Musik oder Filmen verlangen stärkere Prozessoren. Das bedeutet: Mehr Transistoren müssen auf den Chip.
Würden die Transistoren gleich groß bleiben, müsste der Chip größer ausfallen. Er würde teurer, mehr Strom schlucken und deshalb mehr Abwärme produzieren. Verkleinert man dagegen die Transistoren und die Drähte zwischen ihnen, fließen weniger Elektronen, der Prozessor wird nicht so heiß und lässt sich zudem schneller schalten.
Dieses Verkleinerungsspiel ist auch unter dem Namen "Moore’sches Gesetz" bekannt. Seit der Chiphersteller Intel 1971 den ersten Mikroprozessor auf den Markt brachte, hat die Faustregel von Intel-Mitgründer Gordon Moore Bestand: Alle 18 Monate verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Prozessor gleicher Größe. Fanden auf dem i4004 ganze 2300 Transistoren Platz, sind es auf den aktuellen Pentium-4-Chips rund 55 Millionen. Damals waren die Elektroden noch 10.000 Nanometer breit - ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Heute durchziehen nur 130 Nanometer schmale Drähte den Pentium 4.
Silizium-Transistoren können nicht beliebig schrumpfen
Doch es gibt ein Problem: Silizium-Transistoren können nicht beliebig schrumpfen. Einen Transistor kann man sich als eine Art elektronische Schleuse vorstellen. Strom fließt durch den Siliziumsockel nur, wenn eine "Gatter"-Elektrode den Kanal mit einem Spannungspuls öffnet. Das Gatter ist nun vom Silizium durch eine Isolierschicht getrennt.
Schrumpft deren Dicke auf fünf Atomlagen, kann sie von Elektronen "durchtunnelt" werden - der Transistor wird kurzgeschlossen und unbrauchbar. Das wird in wenigen Jahren der Fall sein. Neue Isoliermaterialien können dies noch ein wenig hinauszögern. Aber der Abschied vom Silizium-Transistor ist dennoch unvermeidlich.
Die Computerindustrie hat bereits einen Retter ausgemacht: die Nanotechnologie und damit neue Verfahren, mit denen die Materie zu Objekten von nur wenigen Nanometern Größe verarbeitet werden kann. Mit ihrer Hilfe könnte eine Vision aus den 70er Jahren Wirklichkeit werden: die "molekulare Elektronik".
Kommender Star der Computertechnik
Elektronik-Ingenieuren an den Universitäten Berkeley und Stanford ist es jetzt gelungen, den ersten integrierten Schaltkreis mit einer "Nanotube" herzustellen. Dieses hauchfeine Röhrenmolekül aus Kohlenstoff gilt seit längerem als der kommende Star der Computertechnik. Mit einem Durchmesser von nur einem Nanometer und verblüffenden elektronischen Eigenschaften - es kann sowohl leitend als auch halbleitend sein - schlägt es jede metallische Leiterbahn.
Die Forscher ließen 2000 solcher Nanotubes auf Silizium-Schaltkreisen aufwachsen. Anschließend konnten sie die Röhrchen gezielt mit Strompulsen ansteuern. "Es ist ein entscheidender Schritt zu einer ausgereiften Nanoelektronik", sagt Jeffrey Bokor aus Berkeley, der das Projekt leitet.
"Mit solchen Methoden könnten sich massenhaft Nano-Schaltkreise fertigen lassen", sagt der niederländische Physiker Cees Dekker. Denn um einen richtigen Chip zu bauen, sind Millionen solcher Nanotube-Transistoren nötig. Dekker, der 1998 an der TU Delft den ersten echten Nanotube-Transistor baute, arbeitet seit längerem an dem Problem. Seine Idee: "Man gibt die Nanotubes in ein Gefäß und lässt 'Selbstorganisation' die Arbeit machen."
Das ist kein billiger Trick. Selbstorganisation ist ein Phänomen, das erst in den vergangenen Jahrzehnten entdeckt wurde. Unter bestimmten Bedingungen kann die Natur bei ständiger Energiezufuhr nämlich Ordnung unterschiedlichster Komplexität erzeugen: Aus Wasserdampf werden Schäfchenwolken, aus organischen Molekülen werden gar Zellen.
Nanotube-Schaltkreise
Nun will Dekker die Nanotubes mit winzigen Stücken der Erbsubstanz DNA verbinden. Die verschiedenen DNA-Stränge könnten dann - ähnlich wie ein Klettverschluss - zusammenhaften und so die Nanoröhrchen in kürzester Zeit zum gewünschten Muster verbinden. "Damit könnte man die 20, 30 Schritte in der heutigen Chipherstellung auf einen einzigen reduzieren", hofft Dekker. Doch so weit sind weder seine noch andere Gruppen, die an Nanotube-Schaltkreisen arbeiten. "Wir reden über einen Zeithorizont von zehn Jahren."
Nicht alle Molekularelektroniker halten solche Nanotube-Transistoren für der Weisheit letzten Schluss. "Es geht nicht darum, den Transistor neu zu erfinden", sagt zum Beispiel der Chemiker Stanley Williams von Hewlett-Packard (HP). "Es ist das falsche Gerät im Nanometerbereich. Wenn man es maßstabsgetreu immer weiter verkleinert, bekommt man schließlich Kriechströme." Williams’ Team hat deshalb noch einmal ganz von vorne angefangen. Herausgekommen ist dabei eine neues Prozessor-Prinzip: das "Crossbar Latch".
Dabei handelt es sich um zwei Ebenen von parallelen Nanodrähten aus Titan und Platin, die im rechten Winkel zueinander verlaufen. An den Kreuzungspunkten berühren sich die Drähte allerdings nicht - sie werden von "Pfeilern" aus Rotaxan-Molekülen auf Abstand gehalten.
Erste Prototypen
Rotaxan ist ein längliches organisches Gebilde, auf dem ein Ringmolekül entlanggleiten kann. Je nachdem, ob sich der Ring oben oder unten befindet, ändert sich die Leitfähigkeit des Rotaxans. Der Kreuzungspunkt kann also für Strom offen oder gesperrt sein: Das entspricht den beiden Bit-Zuständen 0 und 1. Schalten lassen sich diese Punkte, indem man nur an die Drähte, die sich hier kreuzen, eine exakt berechnete Spannung anlegt. Auf diese Weise kann das Williams-Team jeden einzelnen Punkt gezielt ansteuern und ein Bit schreiben und wieder auslesen.
In den ersten Prototypen haben die Wissenschaftler je acht solcher Drähte gekreuzt. Mit 40 Nanometern Breite sind sie deutlich schmaler als jede Leiterbahn in einem heutigen PC-Chip.
In einen Kreuzungspunkt, der dann immerhin Ausmaße von 40 mal 40 Nanometern hat, passen mehr als tausend Rotaxan-Moleküle. Hergestellt werden die feinen Drähte durch eine Nano-Drucktechnik. Denn da sie nur parallel angeordnet werden, entfällt der Aufwand, komplexe Chip-Muster wie in der herkömmlichen Photolithographie zu erzeugen.
Elegante Lösung
Doch wie verbindet man am besten Nanodrähte mit der Makrowelt? Stanley Williams und seine Mitstreiter haben das Problem sehr elegant gelöst: Sie steuern nicht jeden Draht im Chip einzeln an, sondern kreuzen die Nanodrähte außerhalb des Crossbar Latch auf zwei Seiten mit einigen dickeren Leiterbahnen. Beide Drahtbündel werden nach dem Zufallsprinzip über Goldteilchen verbunden. Die Folge: Jeder Bit-Punkt erhält eine unverwechselbare Adresse. Um tausend mal tausend Nanodrähte zu steuern, würden je zehn Leiterbahnen genügen.
"Das Crossbar Latch lässt sich sowohl für Rechenoperationen als auch für die Speicherung von Bits nutzen", sagt Stanley Williams - das kann ein PC-Prozessor nicht. Im Unterschied zu den Nanotube-Transistoren sei das Konzept so weit fortgeschritten, dass es in absehbarer Zeit in die Produktion bei HP kommen könnte, versichert er. Vielleicht prangt schon in ein paar Jahren ein neues Logo auf PC-Kartons: "Crossbar Latch inside".
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