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Künstliche Intelligenz : Endspiel für das Mooresche Gesetz

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Mooresche Gesetz

Zu den Gründern von Fairchild gehörte auch der Chemiker Gordon Moore. Als Entwicklungschef wurde er 1965 von dem amerikanischen Fachjournal Electronics gebeten, eine Prognose für die Zukunft des Mikrochipsektors abzugeben. Moore schrieb einen heute berühmten Artikel, dessen Titel man mit „mehr Komponenten auf integrierte Schaltungen stopfen“ übersetzen kann. Er analysierte die erst sehr kurze Geschichte der ICs und fand eine empirische Gesetzmäßigkeit: Jedes Jahr verdoppelte sich die Anzahl der Komponenten auf einem Chip. Nach 1970, vermutete Moore, werde sich das Wachstum auf eine Verdopplung alle zwei Jahre verlangsamen. Damit lag er fast richtig. Überdies versprach er: „Integrierte Schaltungen werden zu solchen Wundern wie Heimcomputern führen.“

Das Mooresche Gesetz gilt nach wie vor. Da es mathematisch eine Verdopplung pro konstantem Zeitschritt beschreibt, ergibt es in logarithmischer Darstellung eine Gerade. Inzwischen lassen sich bereits über fünf Milliarden Transistoren auf einen Mikroprozessor stopfen. Entsprechend winzig sind die Halbleiterstrukturen. Strukturgrößen um die 22 Nanometer (Milliardstel Meter) sind Standard, der nächste Sprung zur 14-Nanometer-Technologie findet derzeit statt, gesprochen wird längst von 10- und gar 7-Nanometer-Strukturen. Zum Vergleich: Ein Aids-Virus ist etwa zehnmal größer.

Wann aber wird Moores Gesetz am Ende sein? Gordon Moore selbst äußerte sich immer wieder skeptisch, aber bis heute konnte die Industrie ihren Schrumpfkurs halten. Doch die Physik setzt bestimmte, unverrückbare Grenzen, und diese rücken näher.

Abschied von Moores Gesetz müssen vor allem Datenspeicher nehmen. Die Entwicklung sogenannter SRAM-Speicherstrukturen knicken schon heute von der exponentiellen (in dieser logarithmischen Darstellung durch eine Gerade markierten) Gesetzmäßigkeit ab. Bei den DRAM- und Flash-Speichern zeichnet sich Ähnliches ab. SRAM steht für Static Random-Access Memory (RAM), DRAM für Dynamic RAM, Flash-Speicher kennt man von USB-Sticks und den SSD-“Festplatten“, die keine Platten mehr sind, sondern Mikrochips.
Abschied von Moores Gesetz müssen vor allem Datenspeicher nehmen. Die Entwicklung sogenannter SRAM-Speicherstrukturen knicken schon heute von der exponentiellen (in dieser logarithmischen Darstellung durch eine Gerade markierten) Gesetzmäßigkeit ab. Bei den DRAM- und Flash-Speichern zeichnet sich Ähnliches ab. SRAM steht für Static Random-Access Memory (RAM), DRAM für Dynamic RAM, Flash-Speicher kennt man von USB-Sticks und den SSD-“Festplatten“, die keine Platten mehr sind, sondern Mikrochips. : Bild: F.A.Z.-Grafik Piron

Endgültig Schluss ist auf der Ebene der Atome. In einem Siliciumkristall beanspruchen sie ein Volumen von rund einem halben Nanometer Durchmesser. Doch schon bei Strukturen von wenigen Nanometern dominieren störende Quanteneffekte. Zum Beispiel würden die Elektronen aus solchen Leiterbahnen und Transistorkanälen mit merklicher Wahrscheinlichkeit entweichen, hinaustunneln, wie die Physiker sagen, und damit der geordneten Datenverarbeitung entkommen. Manche Chiparchitekturen stoßen schon jetzt an Grenzen der Miniaturisierung.

Die eigentliche Bremse für den Fortschritt ist aber das Wärmeproblem. Die Taktrate der Mikroprozessoren in PCs und Notebooks, also die Geschwindigkeit ihrer Datenverarbeitung, verharrt seit Jahren bei etwa vier Gigahertz. Dabei können die Grundbausteine, sogenannte Feldeffekt-Transistoren, einzeln problemlos mit mehreren hundert Gigahertz betrieben werden. Prozessoren könnten damit locker zehnmal schneller sein. Aber sobald sich viele winzige Transistoren auf einer kleinen Fläche zusammendrängen, heizen sie sich gegenseitig auf. „Bei einer Taktung von hundert Gigahertz würde der Mikrochip verdampfen“, sagt Rainer Waser.

Alternativen dringend gesucht

Dieses Problem wird verschärft durch die heutige Computerarchitektur, die auf den ungarisch-amerikanischen Mathematiker John von Neumann und den deutschen Pionier Konrad Zuse zurückgeht. Sie trennt das eigentliche Rechnen und das Speichern der Zwischenergebnisse räumlich. Diese Trennung gilt bis heute, weil Transistoren keine Information speichern können. Sie steuern nur als kleine Schalter den Stromfluss. Daher müssen die Prozessoren die Daten für jeden Rechenschritt über Leitungen zwischen dem Rechenwerk, der Logik, und einem Zwischenspeicher hin und her schieben. Diese Leitungen, aber auch alle anderen Bauelemente auf dem Chip, leiden unter sogenannten parasitären Kapazitäten. Das bedeutet, ihre Strukturen wirken wie kleine Kondensatoren, die beim An- und Abschalten der elektrischen Signale, also jedem Takt im Strom der Bits, unnütz elektrische Energie aufnehmen und wieder abgeben. Dadurch fließen viel größere Ströme, als eigentlich nötig wäre - und heizen über den elektrischen Widerstand die Chips.

Es sieht also danach aus, als seien dringend Alternativen zur etablierten Siliciumtechnologie nötig. Daran wird weltweit geforscht. Die Vielfalt der Ideen reicht von der Photonik, dem Rechnen mit Licht, über die Spintronik, die einzelne Elektronen zu Trägern von zwei Bits zugleich macht und damit eine Form maximaler Miniaturisierung darstellt, bis zum biologisch inspirierten DNA-Rechner und zum Quantencomputer, wobei die letzten beiden allerdings nur für spezielle Aufgaben von Vorteil wären. Es ist schwer vorherzusagen, was am Ende das Rennen aus dem Labor in die fertigungstechnische und wirtschaftliche Realität machen wird. Die besten Chancen haben sicher solche Technologien, deren Materialien und Prozesse sich gut an die etablierte Halbleitertechnologie anbinden lassen. Denn wo es um Milliardeninvestitionen geht, wird auch die fortschrittsfroheste Branche schnell konservativ.

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