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Computer aus Kohlenstoffröhrchen? - Innovation in der US-Forschung

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Letztes Update am 22.10.2014, 14:31
Forscher der Universität Stanford ist es gelungen den ersten funktionierenden Computer aus Kohlenstoffröhrchen zu konstruieren.
Selbst mit einer Taktung von lediglich einem Kilohertz gilt dieser Rechner als großer technologischer Durchbruch bei der langfristigen Entwicklung schnellerer Computer.

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Warum Kohlenstoffröhrchen für den Computer?

Bereits vor über 50 Jahren stellte Gordon Moore die Behauptung auf, dass sich alle 12 bis 18 Monate die Zahl der Transistoren auf einem einzelnen Chip verdoppeln würden. Dieses Moorsche Gesetz hat bis heute seine Gültigkeit bewiesen. Mit immer kleineren Strukturen taten sich jedoch immer schwierigere Probleme auf, vor allem Stromversorgung und Abwärme stellten eine immer größere Herausforderung dar. Der Ansatz Kohlenstoffröhrchen statt Silizium zu verwenden basiert darauf, dass Nanoröhrchen hervorragende Leiter sind. Mit ihrem Einsatz kann daher die Energieeffizienz gesteigert und gleichzeitig die Wärmeentwicklung innerhalb des Chips reduziert werden. Damit lassen sich theoretisch viel leistungsfähigere Computer bauen, als mit der herkömmlichen Silizium-Technologie.

Proof-of-Concept

Bereits 2012 gelang es Forschern von IBM am T.J. Watson Research Center einen Hybrid-Chip aus Silizium und Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu bauen. Forschern der US-amerikanischen Universität Stanford ist es nun gelungen einen Prozessor komplett aus Nanoröhrchen zu konstruieren. Er verfügt über 178 Transistoren und eine Taktfrequenz von einem Kilohertz. Damit ist er zwar meilenweit von der Leistungsfähigkeit herkömmlicher Computer entfernt, dennoch gilt die Demonstration als wichtige Machbarkeitsstudie.

Turing Complete

Mit dem Kohlenstoffrechner konnte die logische Funktion SUBNEG ausgeführt werden. Die Funktion bezieht dabei von einer Speicheradresse eine Nummer und subtrahiert sie von der Zahl einer zweiten Speicheradresse, wo das Resultat auch gespeichert wird. Ist das Ergebnis negativ, wird eine dritte Adresse benötigt. Das besondere ist, dass die SUBNEG-Funktion Turing Complete ist. Das bedeutet, mit der richtigen Kombination mehrerer SUBNEG-Funktionen lässt sich jede andere Funktion ausführen. Der Prozessor ist damit zumindest theoretisch universell einsetzbar, auch die komplexesten Programme könnten mit ihm verwirklicht werden. Die Forscher der Stanfort-Universität konnten bis jetzt zwei einfachere Programme, wie ein Zähler und eine Sortierfunktion für Ganzzahlen, konstruieren.

Ausblick

Noch sind kommerzielle Computer aus Kohlenstoffröhrchen Zukunftsmusik. Zur Konstruktion des Prozessor werden zwei Typen von Nanoröhrchen benötigt, deren Herstellung mit den aktuellen Methoden äußert aufwendig ist. Für die industrielle Produktion fehlt es auch noch an Möglichkeiten die Nanoröhrchen in größeren Mengen zuverlässig anzuordnen, um so funktionierende Schaltkreise zu bilden.
Der Computer aus Kohlenstoffröhrchen der Stanford-Forscher ist in seiner Leistung Vergleichbar mit dem Intel 4004, ein Mikroprozessor auf Siliziumbasis aus dem Jahre 1971. Er ist daher vor allem ein Beweis für die prinzipielle Machbarkeit dieser neuen Technologie.

Die Fakten

  • Wichtige Machbarkeitsstudie über die Tauglichkeit von Computern aus Kohlenstoffröhrchen
  • Der Prozessor besteht aus 178 Transitoren und verfügt über eine Taktfrequenz von einem Kilohertz, eine Leistung vergleichbar mit einem Siliziumprozessor aus dem Jahre 1971
  • Die eingesetzten Nanoröhrchen-Transistoren sind kleiner als 10 Nanometer
  • Der Prozessor ist Turing Complete und wäre damit universell einsetzbar
  • Vorteile einer besseren Energieeffizienz und geringere Wärmeentwicklung ermöglichen Entwicklung leistungsfähigere Prozessoren als mit herkömmlicher Siliziumtechnologie möglich wäre
  • Die Herstellung ist äußerst aufwendig, ein erster kommerzieller Nutzen ist daher noch Jahre entfernt

 

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