Computertechnik wird zum Nanokosmos
Der Todesstoß für die Silizium-Chips

Der Mikrochip ist eines der erfolgreichsten technischen Bauteile, das die Menschheit je geschaffen hat. Die jährlichen Stückzahlen seines wichtigsten Elements, des Transistors, werden mittlerweile in Millionen Milliarden angegeben.

HB/dpa HAMBURG. Die Größe der Transistoren schrumpfte in eineinhalb Jahrzehnten auf weniger als ein Tausendstel - wie auch der Preis. Doch die Mikrochips auf Silizium- Basis erhalten zunehmend Konkurrenz: Seit Jahren schon sägen Nanotechnologen am Thron des Siliziumchips - mit wachsendem Erfolg.

In zahlreichen Geräten sind heute Mikro-Chips zu finden - in Waschmaschine und Fernseher ebenso wie auf der Scheckkarte und im Auto. Gängige Computer beherbergen mehr als zehn Millionen Transistoren, die mehr als 300 Millionen Rechenoperationen pro Sekunde ausführen.

"Nach dem in den 70er Jahren aufgestellten Moore'schen Gesetz verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit von Computer-Chips alle 18 Monate", sagt der Essener Chemiker Günter Schmid, der einer Arbeitsgruppe der Europäischen Akademie in Bad Neuenahr-Ahrweiler zu Gegenwart und Zukunft der Nanotechnologie angehört. "Spätestens 2020 aber wird die Weiterentwicklung der Silizium-Technologie endgültig ausgereizt sein."

Die Nanotechnik könnte die Siliziumtechnik nach Erwartung mancher Experten aber schon in rund fünf Jahren übertrumpfen. Denn dann soll nicht die physikalische, sondern die ökonomische Barriere erreicht sein: Die Grenze für Silizium-Chips sind die Kosten für die nächste Fabrik.

Die Chip-Konzerne beginnen deshalb umzudenken. Erst vor kurzem stellte der Elektronikkonzern Hewlett-Packard einen nanotechnisch hergestellten Molekularchip vor, und auch Intel, weltweit führender Chiphersteller, kündigte den Einstieg in die Nanotechnik an. Und in manchen Labors, wie beim Computer-Riesen IBM, arbeiten bereits erste experimentelle Quantencomputer, die Informationen in einzelnen Atomen oder Molekülen speichern und gezielt Quanteneffekte für ihre Berechnungen ausnutzen.

Arbeitsziel ist zunächst aber beispielsweise der "Single-Electron"- Transistor. "Ein solches Bauteil benötigt nur noch ein einzelnes Elektron für einen Schalt- oder Speichervorgang. Bei den modernsten heutigen Transistoren wechseln rund 500 000 für eine Schaltung den Platz", erklärt Schmid. Mit derartigen Bauteilen verbrauchten Chips um ein Vielfaches weniger Strom, zudem fiele die Wärmebelastung erheblich geringer aus.

Schon in mehreren Firmen- und Forschungs-Laboren wurden derartige Transistoren gebaut - allerdings immer nur einige wenige. Um die Technik zur Anwendung zu bringen, müssen jedoch Millionen der Bauteile gefertigt und auf einer Unterlage sinnvoll miteinander verbunden werden. "Selbstorganisation ist das Zauberwort", erklärt der Physiker Oliver Schmidt vom Max-Planck für Festkörperforschung-Institut in Stuttgart. Atome und Moleküle sollen sich dabei eigenständig zu größeren Einheiten zusammenfügen.

Bei den Versuchen mit Nanoröhrchen und Quantenpunkten aus verschiedensten Materialien verbinden Schmidt und seine Kollegen konventionelle Lithographie-Methoden mit Selbstorganisation. Verbesserte Transistoren, Labor-auf-einem-Chip-Systeme und winzige Spulen sind mögliche Anwendungsbereiche der Nanoröhrchen, von denen man 100 Millionen bündeln müsste, um den Durchmesser eines Haares zu erhalten.

Andere Forscher versuchen, das Prinzip der Selbstorganisation zu nutzen, indem sie biologische Moleküle zum Bau von Schaltkreisen verwenden. Selbst für die Verbindung zwischen solchen Bio-Bauelementen könnte sich organisches Material verwenden lassen: Japanische Forscher beispielsweise haben ein Bakterium dazu gebracht, bei der Fortbewegung in einer gerillten Vorlage feinste Zellulose-Fäden abzugeben. Nun arbeiten sie an einer genetisch veränderten Form des "Bauarbeiter"- Bakteriums, das stabilere Kohlenhydratfasern produziert.

Die Qualität des weltweit besten "Computers" aber werden auch die Nano-Chips auf absehbare Zeit nicht erreichen: Das menschliche Großhirn bietet Speicherplatz für eine Million Gigabit und verbraucht dabei nicht einmal 50 Watt Energie.

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