Rechnen nach Moores Gesetz

Vor fünfzig Jahren in diesem Monat veröffentlichte Gordon Moore ein historisches Papier mit einem amüsant beiläufigen Titel: “Mehr Komponenten auf integrierte Schaltkreise stopfen”. Das Dokument war Moores erste Formulierung eines Prinzips, das nach einer kleinen Überarbeitung zum Gesetz erhoben wurde: Alle zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip.

Wie jeder weiß, der sich auch nur gelegentlich für Computer interessiert, ist das Gesetz von Moore für das Informationszeitalter verantwortlich. “Integrierte Schaltkreise sorgen dafür, dass Computer funktionieren”, schreibt John Pavlus im Mai in “Die Suche nach einer neuen Maschine” Scientific American, “Aber Moores Gesetz bringt Computer dazu, sich weiterzuentwickeln.” Die Menschen sagen seit Jahrzehnten das Ende von Moores Gesetz voraus und Ingenieure haben immer einen Weg gefunden, um das Tempo des Fortschritts am Leben zu erhalten. Es besteht jedoch Grund zu der Annahme, dass diese Ingenieure bald auf unüberwindbare Hindernisse stoßen werden. “Seit 2000 haben Chip-Ingenieure, die mit diesen Hindernissen konfrontiert sind, clevere Problemumgehungen entwickelt”, schreibt Pavlus. “Diese Lücken werden jedoch nichts an der Tatsache ändern, dass die Silizium-Skalierung weniger als ein Jahrzehnt vor sich hat.”

Angesichts dieser Frist investieren die Chiphersteller Milliarden in das Studium und die Entwicklung neuer Computertechnologien. In seinem Artikel nimmt Pavlus uns mit auf eine Tour durch diesen Forschungs- und Entwicklungsrausch. Obwohl es unmöglich ist zu wissen, welche Technologie Silizium überwinden wird – und es gibt guten Grund zu der Annahme, dass es sich eher um eine Kombination von Technologien als um einen Durchbruch handelt -, können wir uns die Konkurrenten ansehen. Hier ist eine kurze Übersicht.

Graphen

Eine der radikaleren Maßnahmen, die ein Hersteller von Silizium-Computerchips ergreifen könnte, wäre der Verzicht auf Silizium insgesamt. Es ist nicht wahrscheinlich, dass dies bald geschieht, aber letztes Jahr gab IBM bekannt, dass 3 Milliarden US-Dollar für die Suche nach Alternativen ausgegeben wurden. Der offensichtlichste Kandidat ist – was noch? – Graphen, einatomige Kohlenstoffschichten. “Wie Silizium”, schreibt Pavlus, “hat Graphen elektronisch nützliche Eigenschaften, die in einem weiten Temperaturbereich stabil bleiben.” Noch besser ist, dass Elektronen mit relativistischen Geschwindigkeiten durch das Bild zoomen. Und am wichtigsten ist, dass es skaliert – zumindest im Labor. Es wurden Graphen-Transistoren gebaut, die bei angemessener Leistungsdichte sogar unterhalb der Fünf-Nanometer-Schwelle, in der Silizium quantenförmig wird, hunderte oder sogar tausende Male schneller arbeiten können als die leistungsstärksten Siliziumbauelemente. “ Ein wesentliches Problem ist jedoch, dass Graphen keine Bandlücke aufweist – die Quanteneigenschaft, die es ermöglicht, einen Transistor ein- und auszuschalten.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Rollen Sie eine einatomige Kohlenstoffschicht in einen Zylinder, und die Situation verbessert sich: Kohlenstoffnanoröhren entwickeln eine Bandlücke und damit einige Halbleitereigenschaften. Pavlus stellte jedoch fest, dass selbst die Forscher, die mit der Entwicklung von auf Kohlenstoffnanoröhren basierenden Computern beauftragt waren, ihre Zweifel hatten. “Kohlenstoffnanoröhren sind empfindliche Strukturen”, schreibt er. „Wenn der Durchmesser oder die Chiralität eines Nanoröhrchens – der Winkel, in dem seine Kohlenstoffatome” gerollt “werden – nur um einen winzigen Betrag variiert, kann seine Bandlücke verschwinden und es als digitales Schaltungselement unbrauchbar machen. Ingenieure müssen auch in der Lage sein, Nanoröhren milliardenfach in ordentlichen Reihen im Abstand von nur wenigen Nanometern zu platzieren, und zwar mit derselben Technologie, auf die sich Siliziumfabriken jetzt verlassen. “

Memristoren

Hewlett-Packard entwickelt Chips, die auf einer völlig neuen Art elektronischer Komponenten basieren: dem Memristor. Die 1971 vorhergesagten, aber erst 2008 entwickelten Memristoren – der Begriff ist ein Portmanteau, das „Speicher“ und „Widerstand“ kombiniert – besitzen die seltsame Fähigkeit, sich daran zu erinnern, wie viel Strom zuvor durch sie geflossen ist. Wie Pavlus erklärt, ermöglichen Memristoren die Kombination von Speicher und Arbeitsspeicher. “Die übliche Metapher der CPU als” Gehirn “eines Computers würde mit Memristoren anstelle von Transistoren genauer werden, da erstere tatsächlich eher wie Neuronen funktionieren – sie übertragen und codieren Informationen und speichern sie”, schreibt er.

Kognitive Computer

Chips bauen “mindestens so” klug ” [as a] Stubenfliege “, erforschen Forscher der IBM Cognitive Computing-Gruppe Prozessoren, die den Taschenrechner wie die Von Neumann-Architektur über Bord werfen. Stattdessen ahmen sie, wie Pavlus erklärt, „kortikale Säulen im Gehirn von Säugetieren nach, die Informationen in derselben Struktur verarbeiten, übertragen und speichern, ohne dass der Bus die Verbindung beeinträchtigt.“ Das Ergebnis ist IBMs TrueNorth-Chip, in denen fünf Milliarden Transistoren eine Million Neuronen modellieren, die durch 256 Millionen synaptische Verbindungen verbunden sind. “Was diese Anordnung kauft”, schreibt Pavlus, “ist eine Echtzeit-Musteranpassungsleistung für das Energiebudget eines Laserpointers.”

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