Das Streben der Wissenschaftler nach dem kleinstmöglichen Transistor hat es ermöglicht, dass immer mehr von diesen Transistoren auf jeden Chip gepackt werden können. Aber dieses Rennen nach unten ist fast vorbei: Die Forscher nähern sich schnell dem physikalischen Minimum für die Transistorgrösse, wobei die neuesten Varianten bis etwa 10 nm – oder nur 30 Atome – breit sind.
Untere Grenze wird bald erreicht
«Die Rechenleistung von elektronischen Geräten kommt von den Hunderten von Millionen oder Milliarden von Transistoren, die auf einem einzigen Chip miteinander verbunden sind», sagt Professor Dr. Kyeongjae Cho von der University of Texas in Dallas. «Aber wir nähern uns schnell den unteren Grenzen der Skalierung.»
Um das Streben nach schnellerer Verarbeitungsgeschwindigkeit auszuweiten, sucht die Mikroelektronikindustrie nach alternativen Technologien. Chos Forschung, die in «Nature Communications» veröffentlicht wurde, könnte eine Lösung bieten, indem sie das «Vokabular» des Transistors erweitert. Herkömmliche Transistoren können nur zwei Informationswerte übertragen: Als Schalter ist ein Transistor entweder ein- oder ausgeschaltet, was in die 1s und 0s der Binärsprache übersetzt wird. Eine Möglichkeit, die Verarbeitungskapazität zu erhöhen, ohne weitere Transistoren hinzuzufügen, wäre die Erhöhung der Informationsmenge, die jeder Transistor durch die Einführung von Zwischenzuständen zwischen dem Ein- und Ausschaltzustand vermittelt.
Ein sogenannter mehrwertiger Logiktransistor, der auf diesem Prinzip basiert, würde mehr Operationen und eine grössere Menge an Informationen in einem einzigen Element zulassen. Durch Theorie, Design und Simulationen entwickelte Chos Gruppe an der UT Dallas die Grundlagen eines mehrwertigen Logiktransistors auf Zinkoxidbasis. Forschungskollegen in Südkorea haben die Leistung eines Prototyps erfolgreich hergestellt und bewertet. Chos Element ist in der Lage, zwei elektronisch stabile und zuverlässige Zwischenzustände zwischen 0 und 1 zu realisieren, wodurch die Anzahl der Logikwerte pro Transistor von zwei auf drei oder vier erhöht wird. Die neue Forschung ist nicht nur deshalb von Bedeutung, weil die Technologie mit bestehenden Chip-Konfigurationen kompatibel ist, sondern auch, weil sie eine Lücke zwischen den heutigen Computern und Quantencomputern schliessen könnte, dem potenziell nächsten Meilenstein in der Computertechnik.
Quantencomputer sind noch lange nicht verfügbar
Während ein herkömmlicher Computer für Berechnungen die genauen Werte von 1 und 0 verwendet, sind die grundlegenden Logikeinheiten eines Quantencomputers fliessender, mit Werten, die als Kombination von 1 und 0 gleichzeitig oder irgendwo dazwischen existieren können. Obwohl sie noch nicht kommerziell realisiert wurden, sind grosse Quantencomputer theoretisch in der Lage, mehr Informationen speichern und bestimmte Probleme viel schneller lösen zu können als aktuelle Computer.
Professor Cho: «Der Transistor ist eine sehr ausgereifte Technologie, während Quantencomputer noch lange nicht kommerziell verfügbar sind. Es gibt eine grosse Lücke. Wie bewegen wir uns also von einem zum anderen? Wir brauchen eine Art evolutionären Weg, eine Brückentechnologie zwischen binären und unendlichen Freiheitsgraden.»
Das konzept mehrwertiger Transistoren ist nicht neu
«Unsere Arbeit basiert immer noch auf der bestehenden Technologie, also ist sie nicht so revolutionär wie Quanten-Computing, aber sie entwickelt sich in diese Richtung. Das Konzept der mehrwertigen logischen Transistoren ist nicht neu, und es gab viele Versuche, solche Elemente herzustellen. Wir haben es geschafft.» Die von Cho und seinen Kollegen entwickelte Technologie verwendet eine neuartige Konfiguration aus zwei Formen von Zinkoxid, die zu einer zusammengesetzten Nanoschicht kombiniert und dann mit anderen Materialschichten in einem Übergitter integriert wird.
Forscher erschufen neue Elektronikstruktur
Die Forscher entdeckten, dass sie die für die mehrwertige Logik erforderliche Physik erreichen konnten, indem sie Zinkoxidkristalle, sogenannte Quantenpunkte, in amorphes Zinkoxid einbetteten. Die Atome, die aus einem amorphen Feststoff bestehen, sind nicht so starr geordnet wie in kristallinen Feststoffen. «Durch die Entwicklung dieses Materials haben wir festgestellt, dass wir eine neue Elektronikstruktur schaffen konnten, die dieses mehrstufige Logikverhalten erlaubt», so Cho, der ein Patent angemeldet hat. «Zinkoxid neigt dazu, sowohl kristalline als auch amorphe Feststoffe zu bilden. Daher war es zunächst eine naheliegende Wahl, aber es ist vielleicht nicht das beste Material. Unser nächster Schritt wird es sein herauszufinden, wie universell dieses Verhalten auch bei anderen Materialien ist, während wir die Technologie optimieren. In Zukunft möchte ich herausfinden, wie wir diese Technologie mit einem Quantensystem verbinden können.»
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