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Kohlenstoff-Prozessor entwickelt: Durchbruch bei Mikrochip-Herstellung

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Die Zukunft der Mikrochips  

Wissenschaftler bauen ersten funktionierenden Prozessor auf Kohlenstoffbasis

26.09.2013, 13:03 Uhr | dpa

Kohlenstoff-Prozessor entwickelt: Durchbruch bei Mikrochip-Herstellung. Unter dem Elektronenmikroskop sind die Leiterbahnen des Kohlenstoff-Prozessors zu erkennen. (Quelle: dpa)

Unter dem Elektronenmikroskop sind die Leiterbahnen des Kohlenstoff-Prozessors zu erkennen. (Quelle: dpa)

Amerikanischen Computer-Ingenieuren ist ein Durchbruch bei der Herstellung von neuartigen Mikrochips gelungen. Den Forschern gelang es erstmals einen funktionierenden Nano-Prozessor auf Kohlenstoffbasis zu entwickeln, wie das Wissenschaftsmagazin Nature in seiner aktuellen Ausgabe berichtet. Die Technik ist zwar noch nicht ausgereift, könnte aber wichtige Impulse für die Computer-Zukunft geben.

Computer-Chips, darunter auch Prozessoren, bestehen heutzutage aus Silizium. Ein Team von der kalifornischen Stanford University hat erstmals einen Rechner aus Kohlenstoff-Nanoröhren gebaut. Die Experten stellten ihre Ergebnisse am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature vor.

Mikrochips stoßen an ihre Grenzen

Die Wissenschaftler hoffen, dass Chips mit Kohlenstoff-Röhren eine höhere Leistung erzielen, ohne mehr Platz zu verwenden. Nach dem Mooreschen Gesetz, das nach dem Intel-Mitbegründer Gordon Moore benannt wurde, verdoppelt sich die Anzahl an Schaltkreisen auf einem Chip alle 18 Monate. Bei der Umsetzung dieser Leistungssteigerung stoßen die Chiphersteller aber mit der herkömmlichen Silizium-Technologie an Grenzen.

Das Problem besteht hauptsächlich darin, dass die Erhöhung der Zahl an Schaltkreisen dazu führt, dass die Isolationsschicht zwischen benachbarten Transistoren immer dünner werden muss, um den vorhandenen Platz auf einem Chip ausnutzen zu können. Hierbei sind physikalisch jedoch Grenzen gesetzt, sodass ab einem gewissen Punkt keine weiteren Schaltkreise mehr verbaut werden können.

Um diesem Effekt des begrenzten Platzangebotes entgegen zu wirken, versuchen Chip-Hersteller wie Intel die Bauteile immer weiter zu verkleinern. Intel ist für seine aktuellen Prozessoren bei 22 Nanometern (umgerechnet 0,000000022 Meter) angekommen und kann dadurch mehrere hundert Millionen Transistoren auf seinen Chips verbauen.

In einem Interview aus dem Jahr 2011 verriet ein Intel-Sprecher dem Online-Magazin MacGadget, dass noch vier weitere Generationen parallel erforscht würden. Gerüchteweise schätzt Intel erst im Jahr 2029 die Grenze des Machbaren erreicht zu haben.

Suche nach Alternativen

Da die Grenze jedoch früher oder später erreicht werden wird, suchen Forscher seit Jahren nach Alternativen. Graphit, die natürliche Erscheinungsform von Kohlenstoff, gilt als heißer Anwärter, um Silizium abzulösen. Es besitzt nämlich ebenfalls Halbleitereigenschaften (Halbleiter sind Stoffe, die je nach ihrem Zustand elektrische Ladungen leiten oder nicht). Unter anderem Intel und IBM haben hier schon ihre Fühler ausgestreckt.

Wissenschaftlern aus Stanford ist es nun aber gelungen, einen funktionierenden Prozessor auf Kohlenstoffbasis zu bauen. Die verwendeten Nanoröhren sind zylinderförmige Gebilde, die aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatome aufgebaut wurden. Sie können besser als jedes andere bekannte Material Wärme ableiten, weshalb die aus ihnen gebauten Transistoren höhere Spannungen und Temperaturen aushalten als Siliziumtransistoren.

Funktion bewiesen, Leistung noch steigerungsfähig

Der nun vorgestellte Kohlenstoff-Rechner habe 20 Standardbefehle fehlerfrei ausgeführt, schreiben die Stanford-Ingenieure. Er umfasse 178 Transistoren, die jeweils aus 10 bis 200 Nanoröhren bestehen. Ein Kohlenstoff-Prozessor dieser Größe würde fünfmal auf einen aktuell üblichen Mikrochip passen, die heute etwa so groß sind wie ein Fingernagel – ein enormer Unterschied.

Noch ist die Technik aber nicht ausgereift: Der Kohlenstoff-Computer rechnet mit einem Bit und einem Befehl, während heutige Computer 64 Bit und viele Befehle gleichzeitig verarbeiten. Zudem verwendeten die Stanford-Ingenieure einen veralteten Aufbau, um Transistoren zu sparen.

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