US-Forscher entwickeln neuartige Computerlogik – Chip-Energieeffizienz soll auf das 100-Fache heutiger Technik steigen

US-Forscher entwickeln eine neuartige Computerlogik, die nanoskalige mechanische Spannung zur Informationsverarbeitung nutzt und letztlich eine bis zu 100-fach höhere Energieeffizienz als heutige Technologien ermöglichen soll. Das Projekt wird von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) mit 10,6 Millionen US-Dollar finanziert und vom außerordentlichen Professor Dr. Asif Khan von der School of Electrical and Computer Engineering am Georgia Institute of Technology sowie seinem Team geleitet. Die Mittel stammen aus dem Programm „Fast & Curious", das Logikschaltungen hervorbringen soll, die mindestens 100-mal effizienter arbeiten als der aktuelle Stand der Technik.

Khan erklärte: „Egal ob Ladung, Licht, Magnetfeld oder Spannung – Rechnen ist dem System egal, wie Informationen übertragen werden, solange sie zuverlässig Einsen und Nullen darstellen." Er fügte hinzu: „Unser Ansatz beschreitet einen anderen Weg, indem er mehrere Informationsträger miteinander verschmilzt."

So funktioniert die neuartige Computertechnik

Herkömmliche Chips zur Steigerung der Effizienz verarbeiten Informationen, indem sie Ladungen durch Milliarden von Transistoren schieben. Diese Transistoren wirken wie winzige Schalter, die ein- und ausgeschaltet werden, um binäre 1 (Ja) und 0 (Nein) darzustellen. Das Forschungsteam ist jedoch überzeugt, dass mechanische Spannung einen alternativen Weg zur Datenverarbeitung bieten könnte. Ihre als Mechanical-Enhancement Ferroelectric Activation (MEFA) Logic bezeichnete Technik nutzt ferroelektrische Materialien, die sich beim Anlegen einer Spannung leicht ausdehnen oder zusammenziehen. Diese Bewegung wird verstärkt und auf einen benachbarten Halbleiterkanal übertragen, um den Stromfluss zu steuern und zwischen Logikzuständen umzuschalten.

Dr. Khan betonte: „Eine neue Computertechnik ist nur dann nützlich, wenn sie sich am Ende in das breitere Halbleiter-Ökosystem integrieren lässt. Fertigbarkeit und Integrierbarkeit haben wir von Anfang an mitgedacht." Laut Khan kann dieser Ansatz die für Berechnungen nötige Energie deutlich senken und gleichzeitig die für praktische Systeme erforderliche Geschwindigkeit und Funktionalität erhalten.

Hintergrund und Ziele des DARPA-Programms

Das Projekt ist Teil eines DARPA-Programms zur Erforschung neuer Rechenmethoden mit dem Ziel, Technologien zu finden, die heutige Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-(CMOS)-Systeme übertreffen können. CMOS bildet derzeit die Grundlage nahezu aller modernen Computerchips – von Smartphone-Prozessoren bis hin zu leistungsstarker Rechenhardware für Künstliche Intelligenz. CMOS ist ein kleiner batteriegestützter Speicher, der wichtige Systeminformationen wie Datum, Uhrzeit und Hardwarekonfiguration speichert sowie grundlegende BIOS-Einstellungen verfolgt, um die Interaktion des Computers mit seinen Hardwarekomponenten zu steuern.

DARPA's Programm „Fast & Curious" fordert Wissenschaftler heraus, neue Bauelemente, Materialien und Rechenarchitekturen zu schaffen, die effizienter arbeiten und dabei mit der modernen Halbleiterfertigung kompatibel bleiben. Die vom Georgia Institute of Technology geleitete Anstrengung umfasst zudem Forscher der Rice University und der University of Southern California sowie Wissenschaftler von Northrop Grumman Space Park Foundry. Das Team will die MEFA-Technik vom einzelnen Bauelement bis hin zu immer komplexeren Schaltungen voranbringen. Letztlich hofft es, eine praxistaugliche Rechenplattform zu demonstrieren, die den Energiebedarf deutlich senkt. Khan fasste in einer Pressemitteilung zusammen: „Das Aufregende ist nicht nur die Bauelementphysik, sondern die Möglichkeit, einen extrem niedrigen Energieverbrauch mit der Geschwindigkeit und Funktionalität zu kombinieren, die reale Rechen systeme benötigen."