“Können Prozessoren-Effizienz um Faktor 1000 steigern”

Die heutige Computerchip-Technologie nähert sich langsam grundlegenden physikalischen Grenzen. Moore’s Law, die Annahme, dass sich die Anzahl der Schaltkreise alle ein bis zwei Jahre verdoppelt, lässt sich ohne neue Ansätze nicht mehr länger aufrechterhalten. Eine Möglichkeit, bessere Prozessoren zu bauen, ist die Einführung von dreidimensionaler Architektur. Durch ihre flache Struktur sind die Leitungen zwischen Logikschaltkreisen und Speicher in heutigen Chips relativ lang, ähnlich wie die Straßen in einer Stadt mit Vororten. Durch eine dreidimensionale Architektur könnten diese Wege deutlich verkürzt werden, wodurch Prozessoren weitaus effizienter werden könnten. Bleibt man bei der Städtebau-Analogie entspräche ein solches Konzept einer integrierten Siedlung in einem Hochhaus. Das bringt allerdings eine Reihe von Problemen mit sich. Vor allem der Abtransport der entstehenden Wärme gestaltet sich in solchen Strukturen schwierig.

Forscher mehrerer US-Universitäten haben ein Konzept entwickelt, das die bestehenden Probleme ausräumen soll. “Ich sehe derzeit keine Alternative zur Hochhaus-Architektur”, sagt Subhasish Mitra von der Universität Stanford gegenüber der futurezone. Mitra, sein Kollege H.-S. Philip Wong und weitere Wissenschaftler von verschiedenen US-Universitäten haben mit N3XT ein Konzept für eine dreidimensionale Chipstruktur vorgelegt. Das Potenzial der neuartigen Struktur ist enorm. “Wir können die Effizienz, definiert als Produkt von Energieverbrauch und Ausführungszeit, um den Faktor 1000 steigern. Das ist unser Zielwert, es könnte auch Faktor 900, aber auch 1100 werden”, sagt Mitra.

Dass es sich dabei nicht bloß um eine theoretische Annahme handelt, haben die Forscher durch die Konstruktion eines funktionierenden Prototyps bereits bewiesen. Dieser Chip besteht aus vier Lagen: Zwei Speicherschichten liegen zwischen zwei Logik-Schaltkreisen. Das System wird allerdings eher als Durchführbarkeitsbeweis angesehen, ein vollwertiger Prozessor, der einen PC antreiben könnte, ist es noch nicht.

Kritische Temperatur

“Dieser erste monolithische 3D-Chip mit in den Speicher eingebetteten Logikschaltkreisen beweist, dass das Konzept umsetzbar ist. Die Architektur kann universell eingesetzt werden”, sagt Mitra. Damit das Konzept funktioniert, mussten die Forscher einige neue Technologien einsetzen. Der 3D-Chip basiert zwar auf einem Silizium-Wafer, die Schaltkreise sind allerdings aus Kohlenstoffnanoröhren aufgebaut. Für die Speicherschichten kommen ebenfalls neuartige Technologien zum Einsatz. Sogenannter RRAM (Resistive Random Access Memory), basiert nicht mehr auf Silizium, sondern auf Titannitrid, Hafniumoxid und Platin. Daten werden durch mit elektrischen Signalen induzierten Änderungen im Widerstand des Materials gespeichert. Das braucht weniger Strom als heutige Medien und erzeugt auch weniger Wärme. Zudem sind die zur Herstellung notwendigen Temperaturen geringer, was den Prozess des Zusammenfügens der einzelnen Schichten vereinfacht.

In Zukunft könnten auch andere Speichertechnologien zum Einsatz kommen, die den Anforderungen gewachsen sind. Vor allem die niedrigen Herstellungstemperaturen sind ein entscheidender Faktor. “Wir können bei Temperaturen von 300 Grad Celsius produzieren, statt wie bisher bei rund 1000. Dadurch entstehen keine Schäden beim Zusammenfügen der Schichten im Produktionsprozess”, sagt Mitra.

Die Temperatur ist auch beim Betrieb von 3D-Chips ein entscheidender Faktor. Da die Oberfläche im Vergleich zur Anzahl der Transistoren weitaus geringer ist, als bei konventionellen Ansätzen, ist die Gefahr einer Überhitzung groß. “Unsere neuen Technologien erzeugen von Haus aus weniger Hitze. Zudem konnten wir durch unseren interdisziplinären Forschungsansatz auch auf neue Phasenwechsel-Materialien zurückgreifen, die Wärme sehr effizient abführen können”, sagt Mitra. Die Architektur ist ebenfalls entscheidend, vor allem die äußersten Schichten eines 3D-Pakets sind hier entscheidend: Sind hier die Schaltkreise angebracht, die für den Speicherzugriff zuständig sind, also wenig Hitze produzieren, kann die Wärme des kompletten Systems effizienter abgeführt werden. “Wir können die Hitze, die ein moderner Chip generiert heute schon abführen. Was die Schichtanzahl angeht, können wir weit über die vier Lagen des Prototyps hinausgehen”, sagt Mitra.

Industrie interessiert

Erste große Chiphersteller haben bereits Interesse an der neuen Technologie bekundet. Das liegt auch daran, dass die Herstellung sich mit bestehenden Anlagen bewerkstelligen ließe. Bis erste Chips marktreif sind, wird es allerdings noch eine Weile dauern. “15 Jahre sind wohl eine realistische Prognose, vielleicht auch etwas länger”, sagt Mitra. Erste Teilfortschritte, etwa durch den Einsatz der Kohlenstoffnanoröhren, könnten sich aber bereits früher materialisieren. Interessant werden die 3D-Chips vor allem in Bereichen werden, in denen Effizienz wichtig ist. “Server, mobile Geräte und das Internet der Dinge werden wohl die treibenden Kräfte der Entwicklung werden, weil energiesparende Chips hier gebraucht werden”, sagt Mitra.

Dass aufgrund der besseren Effizienzwerte auch weitaus schnellere Prozessoren gebaut werden können, wird anfangs wohl eher in Nischen von Bedeutung sein. Was die Kosten für die Herstellung angeht, glaubt Mitra, dass die Preise “nicht allzu weit von heutigen Produkten” entfernt liegen werden. In den kommenden Jahren werden die Forscher jedenfalls noch einiges zu tun haben, um das Konzept weiter auszubauen. “Hier gibt es glücklicherweise internationale Kollaborationen, keine Konkurrenzverhältnisse. Nur so kann ein großer Durchbruch gelingen”, sagt Mitra.