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I am RV16CNano! : Wie der Kohlenstoff die Elektronik erobert

Eine Nahaufnahme des Kohlenstoff-Prozessors mit mehr als 14.000 Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Bild: Felice Franke

Die Silizium-Elektronik ist in der Sackgasse: Mit einem Mikroprozessor aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnte der Halbleiter abgelöst und das befürchtete Ende der Miniaturisierung verhindert werden.

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          Immer kleiner und damit noch schneller sollen die Schaltkreise auf den Mikrochips werden. Doch die Transistoren auf Siliziumbasis können mit herkömmlichen Verfahren nicht beliebig verkleinert werden. Spätestens bei fünf Nanometer ist das Ende der Fahnenstange erreicht, schätzen die Experten. Bei noch kleineren Strukturen ist mit störenden quantenmechanischen Effekten und Kurzschlüssen zu rechnen, die die Funktionsfähigkeit eines Mikrochips beeinträchtigen. Zudem produzieren die Sililziumprozessoren, je leistungsfähiger sie werden, immer mehr Wärme. Moderne Computer benötigen deshalb aufwendige und teure Kühlsysteme.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Um die Computertechnik trotz dieser Hürden weiter voranzutreiben, setzen die Wissenschaftler verstärkt auf andere Chiparchitekturen, vor allem auf neue Materialien. Hoch im Kurs stehen wegen ihrer geringen Abmessungen und halbleitenden Eigenschaften sowie ihrer guten Wärmeleitfähigkeit einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Allerdings bereitet es bislang große Schwierigkeiten, aus den zylindrischen Gebilden komplexe und zuverlässig arbeitende Transistoren und elektronische Schaltungen zu bauen. Die Gründe: Nanoröhrchen können auch metallische Eigenschaften aufweisen, wodurch sie unbrauchbar sind. Hinzu kommen Hürden bei der präzisen Plazierung auf einem Chip.

          Der erste funktionierende Transistor aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen (blau). Die dicken Balken sind die Goldkontakte.

          Einen großen Fortschritt in Richtung „Post-Silizium-Elektronik“ haben nun Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge erzielt. Ihnen ist es gelungen, aus Millionen von Nanoröhrchen einen funktionsfähigen Mikroprozessor herzustellen, der bereits so leistungsfähig ist wie ein Siliziumprozessor aus dem Jahr 1985.

          Seit vor 21 Jahren Wissenschaftler von der TU Delft erstmals zeigten, dass man aus Nanoröhrchen Feldeffekt-Transistoren bauen kann, sind beträchtliche Fortschritte erzielt worden. So präsentierten vor fünf Jahren Forscher der Stanford University einen Prozessor, der aus 178 Transistoren aus Kohlenstoff bestand und einfache Operationen und Befehle ausführen konnte. Obwohl er nur ein Bit nach dem anderen verarbeitete, war seine Leistungsfähigkeit mit einem Mikroprozessor der Firma Intel aus dem Jahr 1971 zu vergleichen. Die neue Errungenschaft aus dem MIT-Labor kann nun bereits 16 Bits verarbeiten. Moderne Chips schaffen 64 Bits.

          „Hello World! I am RV16CNano.“

          Als Vorbild für ihren Prozessor diente den Forschern um Max Shulaker die klassische Computertechnik, die im Wesentlichen auf der Fähigkeit von Transistoren beruht, die Leitfähigkeit zwischen zwei Kontakten mit einer Steuerelektrode zu beeinflussen und damit die binären Zustände „1“ und „0“ darzustellen. Durch die geschickte Kombination der Transistoren lassen sich beliebig komplizierte integrierte Schaltkreise herstellen, die elementare logische Operationen ausführen.

          Die MIT-Forscher brachten zunächst unzählige Nanoröhrchen auf einen zuvor strukturierten Siliziumwafer. Dann entfernten sie auf chemischem Weg all jene Röhrchen, die keinen festen Kontakt mit der Unterlage hatten oder miteinander verknäuelt waren. Anschließend wurden die verbliebenen Kohlenstoff-Zylinder mit Metalloxiden bedampft, die dafür sorgten, dass auch noch alle vorhandenen metallischen Nanoröhrchen halbleitende Eigenschaften erhielten. Durch gezielt plazierte Metall-Elektroden entstanden so aus den Kohlenstoff-Röhrchen mehr als 14.000 Transistoren. Anschließend wurden je zwei der Kohlenstoff-Schalter zu logischen Nicht-Gattern verbunden. Danach schlossen die Forscher ihren Prozessor an eine Tastatur und einen Monitor an und ließen ein Computerprogramm laufen, das die Funktionsfähigkeit des Prozessors testen sollte. Wie Shulaker und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“ berichten, generierte der Code einen Text, mit dem sich der Kohlenstoff-Chip selbst vorstellte: „Hello World! I am RV16CNano.“

          Trotz der Vorschritte wird es noch einige Jahre dauern, bis Kohlenstoff-Rechner mit den heutigen Silizium-Computern konkurrieren können, schreibt Franz Kreupl von der TU München in einem Begleitkommentar. Um den MIT-Prozessor schneller zu machen, müsse die Dichte der Nanoröhrchen und damit die Zahl der Transistoren auf dem Chip erhöht werden. Zudem müsse die Länge der Nanoröhrchen von derzeit einigen hundert auf wenige Nanometer verkürzt werden. Dann könnten auch Nanoröhrchen-Transistoren Spannungspulse deutlich schneller verarbeiten.

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