Immer kleiner, immer schneller: das hat Folgen Ist Ihre Elektronik heute schlecht drauf? – das liegt an der Variabilität

Rudy Lauwereins, IMEC

»Mein Computer ist heute schlecht drauf.« Als Ingenieur reagiert man skeptisch, wenn ein schlecht gelaunter Zeitgenosse so etwas von sich gibt. Doch es könnte sein, dass wir in Zukunft die User, die solche Statements machen, wirklich ernst zu nehmen haben. Denn es ist eine Tatsache: Die Computer-Evolution läuft in eine Richtung, die der Welt der Consumer-Elektronik einen Schock versetzen wird: elektronische Geräten, die nur halbwegs funktionieren.

Wer kennt nicht die Nostalgie für die Ära des »happy scaling«, mit immer winzigeren Transistoren - immer schneller, immer kleiner und energie-effizienter als ihre Vorläufertypen? Diese Ära ist dahin, leider, unwiederbringlich. Seit einigen Jahren zeigen die Transistoren mit Nano-Dimensionen ein anderes Bild: große Variabilitäten, sowohl nach der Fertigung wie während des Gebrauchs. Wo wir zuvor uniforme Chargen von Transistoren mit immer gleicher, fester Schwellenspannung produzieren konnten, kommen heutige Transistoren mit einer Schwellenspannung, die um 40 Prozent variieren kann. Bis 2013 erwarten wir eine Variabilität von bis zu 60 Prozent.

Große Chiphersteller wie Intel versuchen diesen Variabilitäts-Effekt zu kontrollieren und zu überwinden. Eine Lösung dazu ist eine Leistungsmessung am fertigen Chip, mit entsprechendem Abgleich, bevor er in den Verkauf geht. Wenn man 1000 Prozessorchips mit bestimmter Versorgungsspannung und Taktfrequenz fertigt, wird deren Leistungsverbrauch von Natur aus stark variieren. Da gibt es »energie-bewusste«, kühle Chips, die nur wenig verbrauchen (z.B. 80 W) und »verschwenderische« heiße Chips, die bis zu 150 W konsumieren.

Was Intel dagegen unternimmt, ist folgendes: Versorgungsspannung und Taktfrequenz der verschwenderischen Chips werden herabgesetzt, bis sie nur mehr 100 W verbrauchen. (100 W ist die Grenze bei der Kühlung.) Auf der anderen Seite werden Versorgungsspannung und Takt der energie-bewussten Chips soweit hochgezogen, bis sie das Limit von 100 W erreichen. Die erste Gruppe arbeitet dann mit einer niedrigeren Taktfrequenz von z.B. 2,4 GHz und wird preisgünstiger abgegeben. Die zweite Gruppe, mit einer Taktfrequenz 3,2GHz, lässt sich entsprechend teurer verkaufen. Das Ergebnis: Dank Leistungsmessung und Abgleich werden alle Chips abgesetzt - wenn auch einige von ihnen als Schnäppchen über die Theke wandern.

So weit, so gut. Doch das Thema Variabilität ist damit noch nicht zu Ende. Denn selbst beim Betrieb in Ihrem Computer oder Handy legen die Transistoren ein stark variables, inkonstantes Verhalten an den Tag. Auch wenn sie über Jahre zuverlässig ihren Dienst verrichtet haben, können sie plötzlich einen stark fluktuierenden Leistungsverbrauch zeigen, sogar bei konstanter Taktfrequenz. Das interne Steuersystem muss dann dauernd die Versorgungsspannung und die Taktfrequenz nachjustieren, um das vorgeschriebene Leistungs-Budget von 100 W zu erfüllen. Das Ergebnis, wie eingangs erwähnt: An manchen Tagen läuft Ihr Computer schneller, an anderen langsamer. Ein guter Tag zaubert ein prächtiges Bild mit hoher Auflösung auf Ihr Handy, an einem schlechten Tag ist alles grau und pixelig. Auch müssen die Prozessorchips nach einem »schweren« Moment ein bisschen ausspannen, bevor sie wieder mit Top-Speed schaffen können.

Diese zweite, operationale Variabilität beschäftigt die Computerindustrie bereits heute, wenn auch noch in geringerem Maße. Die Hersteller lösen dieses Problem meist dadurch, dass sie die Tasks eines abgearbeiteten Prozessors in Multicore-Systemen an einen noch frischen, fitten Prozessor übergeben.

»Abgearbeitet«, »schlecht drauf«, »ausspannen« – wie immer man das nennt, eins ist klar: Unsere Computer werden menschlicher. Und das ist nicht positiv gemeint. Die klassischen Siliziumtransistoren stoßen langsam an ihre physikalischen Grenzen. Und im Hintergrund starten die organischen Transistoren auf ihre glänzende Zukunft. In Bezug die Strukturfeinheit und Geschwindigkeit sind die organischen PMOS-Transitoren heute da, wo die Si-PMOS-Transitoren in den siebziger Jahren waren.

Die organischen NMOS-Transistoren und Speicherschaltungen schreiten immer weiter fort. Die neue Technologie bringt uns keine schnelleren Computer, sondern eher neue Applikationen, dank ihrer flexiblen und kostengünstigen Fertigung. Computerchips werden in Kleidungsstücke, Wandverkleidungen und andere Alltagsgegenstände integriert. Wir können uns heute noch kaum vorstellen, wie stark die organische Elektronik unser Leben verändern wird. Das ist genau so wie vor 40 Jahren. Da lag die Idee sehr fern, diese Kolumne auf einem kleinen portablen Computer mit 4 Gigabyte Arbeitspeicher und einem Prozessor mit mehr als 1 Milliarde Transistoren zu schreiben.

 

Dr. Rudy Lauwereins ist VP des Smart Systems Technology Office bei IMEC, Leuven. www.imec.be