JARA-FIT-Wissenschaftler erzielen Durchbruch bei der Konstruktion von Computer-Chips. Durch die neue Technologie können zukünftige Rechner trotz höherer Leistung mit erheblich weniger Energieverbrauch betrieben werden
Die Hardware heutiger Computer – von Handys über Laptops und Server bis zu Supercomputern - basiert auf der konventionellen von-Neumann-Architektur, bei der Speicher- und Logikbereiche strikt getrennt werden. Dies führt aufgrund des notwendigen Datentransports zwischen den verschiedenen Funktionsbereichen zu den hohen Energieverlusten in heutigen Chips.
Zwei Herausforderungen
Alternative Architekturen sind auf dem Papier lange bekannt. Sie basieren auf frei programmierbaren Arrays, bei denen die Knotenpunkte in den Arrays ihre Information permanent und ohne Energieverlust halten, bis sie erneute beschrieben werden. Dadurch ist es möglich, Informationsspeicherung und logische Verarbeitung in den gleichen Chipbereichen durchzuführen. Bisher sind praktische Ausführungen an zwei Aspekten gescheitert:
- Es gibt in der herkömmlichen Siliziumtechnologie keine sogenannten memristiven Funktionen, d.h. Bauelemente, deren Widerstand programmiert werden kann und anschließend ohne weitere Energiezufuhr erhalten bleibt.
- Bisher konnte das Übersprechen zwischen benachbarten memristiven Zellen in passiven Arrays beim Einschreiben von Daten in eine solche Struktur nicht vermieden werden, ohne jeder Zelle einen eigenen Transistor anzugliedern. Dieser zusätzliche Konstruktionsaufwand begrenzt die Zellendichte heutiger Arrays und in Folge dessen auch die Leistung. Zudem verteuert er erheblich die Chip-Produktion.
Für die erste Herausforderung gibt es seit einigen Jahren Lösungsansätze auf der Basis von nanoskaligen elektrochemischen Festkörperzellen – einem hochaktuellen Forschungsgebiet. Gemessen an der Anzahl der Zitate der wissenschaftlichen Publikationen ist das Institut von Prof. Waser auf diesem Gebiet international führend.
Die Lösung
In Bezug auf die zweite Herausforderung, das Übersprechen, gelang Wasers Mitarbeitern Eike Linn, RWTH Aachen, und seinen Forscherkollegen Roland Rosezin und Carsten Kügeler, beide am Forschungszentrum Jülich, ein entscheidender Durchbruch durch die Entwicklung eines völlig neuartigen Schaltungskonzeptes.
Dieses Konzept, welches jetzt in dem international renommierten Fachmagazin Nature Materials veröffentlicht ist, basiert auf der antiseriellen Verschaltung von zwei memristiven Zellen. Diese Zellen bilden zusammen eine neue Zelle, die von den Wissenschaftlern als CRS-Zelle (Complementary Resistive Switch) bezeichnet wird. Im Ruhezustand erscheinen diese Zellen nach außen hochohmig und geben nur im dynamischen Betrieb ihre Information preis. CRS-Zellen haben die Eigenschaft, dass zwischen Ihnen kein Übersprechen stattfindet.
Neben der Vermeidung des Übersprechens bietet das Konzept weitere Vorteile:
- Da Speicher- und Logikbereiche lokal vereint werden können, ist mit passiven CRS-Arrays ein besonders energieeffizienter Betrieb möglich.
- Passive Arrays aus CRS-Zellen können 3D-gestapelt werden. Dadurch kann die Anzahl der Zellen auf einer Fläche signifikant erhöht werden. Simulationen zeigen, dass in der übernächsten Technologiegeneration (22 nm) mit Hilfe von CRS-Zellen Arrays der Größe 108 Bit aufgebaut werden können. Im Vergleich dazu haben Arrays der untersten Hierachie-Stufe in normalen Arbeitsspeichern (DRAM) in heutigen Rechner lediglich eine Größe von 103 Bit und benötigen den Zellen zugeordnete Transistoren, um ein Übersprechen zu vermeiden.
- Da keine zusätzlichen Transistoren benötigt werden, können die Produktionskosten der zukünftigen Chip-Generation erheblich gesenkt werden.
Alternative Rechnerarchitekturen auf der Basis von CRS-Arrays könnten zu „grünen“ Supercomputern von übermorgen führen.
Vorsprung durch Kooperation
Das Schaltungskonzept für CRS-Zellen wurde an der RWTH Aachen entworfen. Jülicher Kollegen steuerte die notwendige Technologieentwicklung bei. Die Entdeckung der JARA-FIT-Wissenschaftler zeigt, wie wichtig die Bündelung spezifischer Kompetenzen über institutionale Grenzen hinweg ist. Der hier beschriebene Durchbruch ist beispielhaft für die Effektivität von JARA.
Blick in eine CRS-Struktur mit Nanometer-Auflösung. Es sind die elektrochemisch gebildeten Filamente aus Kupferatomen zu sehen, die entweder im oberen Teil oder im unteren Teil einer Zelle gebildet sind und damit den Zustand „0“ oder „1“ repräsentieren. Aufgrund der geringen Abmessungen dieser „Nanobatterien“ können die Zellen in wenigen Nanosekunden mit einer ausserordentlich kleinen Energie umgeschaltet werden.
Zur Nature Materials Publikation: Link
