Stanford-Professor Physikalische Grenzen für Transistoren frühestens 2041 erreicht

Auf ARMs Entwicklerkonferenz TechCon referierte Stanford-Professor und Energieeffizienz-Experte Jonathan Koomey über die Grenzen der Halbleitertechnik. Außerdem zeigte er zahlreiche interessante Low-Power-Anwendungen wie Sensorknoten für den Verkehr oder einen Tumor-Drucksensor.

Koomey, Autor von 10 Büchern und über 150 Präsentationen zum Thema „Energieffiziente Computer“, bemängelte, dass jeder Experte seine eigene Definition für „Energieeffizienz“ gefunden habe. Er selbst nutzt die Formel Rechenoperationen/kWh = Anzahl der Rechenoperationen pro Stunde bei Vollast geteilt durch den gemessenen Energiebedarf pro Stunde bei Vollast. Bei mobilen Geräten, bei denen das Display einen wesentlichen Anteil am Gesamtenergiebedarf hat, wird dieser von der Gesamtmenge abgezogen.

Wenn man diese Berechnung zu Grunde legt, hat sich die Energieeffizienz seit 1940 alle 1,5 Jahre verdoppelt, oder pro Dekade damit verhundertfacht. Nur dadurch wurde die Existenz von Laptops und Smartphones überhaupt möglich. Den Hauptgrund für diese Entwicklung sieht Koomey in der Entwicklung des Transistors: Schrumpfen der Prozessgeormetrien, kleinere Distanzen zwischen Drain und Source und damit weniger Elektronen die zu bewegen sind.

Nichtsdestotrotz hat sich mit den batteriebetriebenen Geräten eine wichtige Änderung ergeben: Kam es früher bei stationären Geräten primär auf den aktiven Modus an, sind jetzt Energiesparmodi, eine möglichst kurze Zeit im aktiven Modus und effiziente, d.h. kurze Übergänge zwischen Sleep- und aktivem Modus essistentiell für eine lange Battierielaufzeit. Mit diesen Fortschritten hat sich von 1984 bis heute laut einer Untersuchung von Koomey bei Handys pro Jahr ein Fortschritt von 8 % in Bezug auf die Sprechzeit pro Wh ergeben.

Als Beispiele, bei denen Low-Power-Techniken einen echten Fortschritt gebracht haben, zeigte er als erstes einen „intelligenten Mülleimer“, der über Solarenergie betrieben wird und den Müll fünffach kompremiert. Ist er voll, sendet er eine SMS an die Einsatzleitzentrale. Die Energie-Einsparungen, die durch weniger Fahrten der Müllabfuhr-LKWs möglich sind, sind natürlich extrem: „Wir bewegen Bits statt LKWs“, sagte Koomey. Die Mülleimer finden sich z.B. schon an diversen amerikanischen Flughäfen wie dem Airport im kalifornischen San Jose.

Als nächstes wurde ein Tumor-Druckmesser gezeigt, der mit einem MEMS-Sensor alle 15 Minuten den Druck in einem Tumor misst, die Daten drahtlos überträgt und mit einer nur 5 µAh-Stunden-Batterie ausgestattet ist. Wird er in einem Tumor implantiert, kann hiermit das Tumor-Wachstum überwacht werden, ohne den Patienten ständig der Strahlung z.B. in einem CT auszusetzen.

In Los Angeles sind die 40.000 öffentlichen Parkplätze mit einem Sensor-Node ausgestattet, der freie Parkplätze meldet und weniger als 400 µW benötigt. In Summe ist also ein Energiebedarf von 15 W entstanden, die Benzin-Einsparungen sind aber extrem hoch, da über flexible Parkleitschilder die Fahrer zu einem freien Parkplatz geleitet werden, statt viele Runden in der Innenstadt zu drehen.

Desweiteren hatte Koomey noch zwei interessante Ergebnisse von universitären Forschungen im Gepäck: Ein von der Universität in Washington entwicklter Sensor benötigt im Schnitt 60 µW und kann seine Energie z.B. aus hochfrequenten Fernsehsignalen ziehen. Alternativ sind als Energiequellen Licht, Wärme, Bewegung und sogar Blutzucker möglich.

Eine noch intelligentere Sensor-Plattform hat die Universität von Michigan entwickelt: Die nur 1 mm3 große Plattform mit einem ARM-Cortex-M0-Prozessor besteht aus 4 über Drähte verbundene IC-Schichten, die jeweils 50 µm dick sind, zuzüglich einer 150 µm dicken Dünnfilm-Batterie. Auf einer Schicht wurde neben Speicher sogar ein DSP implementiert, des weiteren finden sich Timer, Bild- und Temperatursensoren in dem Miniatur-Block. Im Sleep-Mode werden 11 nA aufgenommen, im aktiven Modus 40 µW. Gefertigt werden kann das ganze in 65, 130 und 180 nm.

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Ohne Low-Power undenkbar

Diese Anwendungen wären ohne die technische Entwicklung Richtung Low-Power nicht möglich gewesen.

Bei Rechenzentren sieht Koomey den Weg zum Cloud-Computing als einzige Möglichkeit, in großem Maßstab Energie zu sparen. Vor allen Dingen die geringe Auslastung von nur 5-15 % vieler lokaler Rechenzentren verbrenne unnötig Energie. In großen Mega-Rechenzentren könne man dank hoher Skaleneffekten verbunden mit Low-Power-Prozessoren enorme Einsparungen erzielen.

Last but not kam Koomey auf die technischen Grenzen für Low-Power-Anwendungen zu sprechen. Laut der Theorie von Feynman stellt ein Transistor, der aus 3 Atomen besteht, die unterste Grenze dar. Diese würde, wenn die Entwicklung mit derselben Geschwindigkeit wie heute weitergeht, erst 2041 erreicht. Allerdings arbeiten Forscher auch schon an einem 1-Atom-Transistor aus Phosphor. Zwar konnten solche Transistoren bereits in der Vergangenheit im Labor beobachtet werden, jetzt gelang es jedoch, einen solchen Transistor gezielt herzustellen. Dazu war es wichtig, eine hohe Präzision einzelner Atome zu erreichen. Bislang lag der Fehlerbereich bei 10 nm.

Was zunächst nicht nach viel klingt, ist immerhin hundertmal so groß wie der Radius des als Transistor fungierenden Phosphor-Atoms mit 0,1 nm. Durch die hohe Präzision bei der Positionierung des Atoms ist es gleichzeitig möglich, mehrere Transistoren nebeneinander zu platzieren, um letztendlich einen im größeren Maßstab skalierbaren Herstellungsprozess entwickeln zu können. Ein Vorteil ist hierbei sicherlich, dass die gleichen Materialien zum Einsatz kommen, die auch die Halbleiterindustrie bereits verwendet.

Das als Transistor fungierende Phosphor-Atom sitzt in einem Kanal und ist von einem Silizium-Kristall umgeben. Damit es sich wie ein Metall verhält und als Transistor fungieren kann, müssen aber auch seine Elektronen im Kanal bleiben, was derzeit nur mit Hilfe von sehr niedrigen Temperaturen von mindestens -196 °C möglich ist. Gelänge es, die Elektronen auf eine andere Weise im Zaum zu halten, könnte der Transistor auch bei Raumtemperatur arbeiten, was im Hinblick auf eine praktische Nutzung in der Zukunft von Vorteil wäre. Ob ein solcher Transistor eines Tages jemals als Qubit in einem Quantencomputer zum Einsatz kommen kann, ist jedoch noch nicht sicher. Dazu gilt es die Frage zu klären, ob sich die Quanten-Kohärenz sehr vieler Qubits kontrollieren lässt.