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3D-Chip kombiniert Kohlenstoffnanoröhren und RRAM-Zellen : Ausgabe 15/2017, 20.09.2017

Kampf dem Flaschenhals

Während integrierte Intelligenz in immer mehr Lebensbereichen ihren Eingang findet, vom autonomen Fahren bis hin zur personalisierten Medizin, entstehen dabei gewaltige Datenmengen, die die aktuellen Datenchips an den Rand ihrer Verarbeitungskapazitäten bringen. Ein neuer Ansatz könnte hier für Entspannung sorgen.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: MIT-Forschung

Forscher von der Stanford University und dem MIT (Massachusetts Institute of Technology) entwickelten eine neue Chipversion, die das Datenproblem lösen soll. Der Forschungsbericht, verfasst von Assistenzprofessor Max Shulaker, erschien in «Nature». Aktuelle Computer basieren auf unterschiedlichen Chips, die entsprechend den Vorgaben verschaltet werden, wobei die Verbindungen untereinander limitiert sind. Da Applikationen stetig steigende Datenvolumen analysieren müssen, erzeugen die eingeschränkten Datentransferraten zwischen den Chips für die Datenkommunikation kritische Flaschenhälse.

Transistoren kommen an Leistungsgrenzen

Und da es nur limitierte Flächen auf den Chips gibt, ist die Platzierung der Funktionsbereiche nebeneinander ebenfalls eingeschränkt – selbst wenn sie so weit wie möglich miniaturisiert werden (siehe Moore's Law). Dieses Problem wird noch zusätzlich dadurch erhöht, weil die Leistungsfähigkeit der Transistoren auch nicht mehr so gut verbessert werden kann, wie vor etwa zehn bis 20 Jahren.

Der neue Chipprototyp (Bild 1) bedeutet eine radikale Änderung gegenüber den heutigen Chips. Der Prototyp verwendet mehrere Nanotechnologien zusammen mit einer neuen Computerarchitektur, um die aufgezeigten Trends umzukehren.

Der neue Chip basiert nicht auf Siliziumelementen, sondern verwendet Kohlenstoff­nanoröhren und RRAM-Zellen. Bei dem RRAM handelt es sich um eine Art nichtflüchtiger Speicher, dessen Funktion auf der Veränderung des Widerstandes eines festen dielektrischen Materials basiert.

Verschachtelte Logik- und Speicherschichten

Die Forscher integrierten über 1 Mio. RRAM-Zellen und 2 Mio. Kohlenstoffnanoröhren und realisierten damit ein nanoelektronisches System, dessen Komplexität mit aufkommenden Nanotechnologien noch nicht erreicht wurde. Der RRAM-Baustein und die Kohlenstoff­nanoröhren werden übereinandergestapelt und bilden eine sehr komplexe 3D-Computerarchitektur mit verschachtelten Logik- und Speicherschichten. Mit ultradichten Leitungen zwischen diesen Schichten kann die dreidimensionale Architektur das Problem mit dem Flaschenhals sicherlich lösen. Eine derartige Architektur lässt sich nach Angaben von Professor Shulaker von den «Microsystems Technology Laboratories» des MIT mit aktuellen Siliziumtechnologien nicht realisieren. Shulaker: «Heutige Schaltungen sind zweidimensional, weil die Fertigung herkömmlicher Transistoren mit sehr hohen Temperaturen über 1000 °C erfolgt. Wenn man dann eine zweite Schicht von Siliziumschaltungen darauf aufbaut, werden die hohen Temperaturen die untere Schaltungsschicht beschädigen.»

Neue Chiptechnologie bringt viele simultane Vorteile

Der Schlüssel zum Erfolg der Forscher ist die Tatsache, dass Nanoröhren und RRAM-Speicher mit Temperaturen unter 200 °C gefertigt werden können. Die vertikale Schichtung, so Shulaker, sei damit machbar. Für zukünftige Datenverarbeitungssysteme ergeben sich mit dieser neuen Chiptechnologie mehrere, simultane Vorteile. Im Vergleich zu heutigen Siliziumlogikschaltungen können Schaltungen mit Kohlenstoffnanoröhren um eine Grössenordnung energieeffizienter sein. Und RRAMs sind komplexer, schneller und energieeffizienter als DRAM-Speicher. Die Forscher weisen zudem darauf hin, dass die dreidimensionale Integration von Verarbeitung und Speicherung auch Vorteile für die Verbindungen zwischen den Chips bringen wird (Bild 2).

Erste Tests führten zu einer sehr grossen Bandbreite

Um das Potenzial der neuen Technologie zu demonstrieren, platzierten die Forscher über 1 Mio. Sensoren aus Kohlenstoffnanoröhren auf dem Stapel, mit denen sie Gase aus der Umgebung entdeckten und klassifizierten. Durch die Schichtung der Funktionen Abtastung, Datenspeicherung und Datenverarbeitung konnte der Chip jeden Sensor parallel messen und die Ergebnisse direkt in den Speicher schreiben. Das ergab eine sehr grosse Bandbreite. Nach Angaben der Forscher zeigt deren Demonstration, dass ihre Technologie mit der heutigen Siliziuminfrastruktur kompatibel ist, und zwar sowohl beim Design als auch in der Fertigung. 

Infoservice

MIT
77 Massachusetts Avenue
Cambridge, MA 02139-4307, USA
Tel. 001 617 253 10 00, www.mit.edu



Bild 1: Ein neuer Chip basiert nicht auf Siliziumelementen, sondern auf Kohlenstoffnanoröhren und RRAM-Zellen


Bild 2: Diese dreidimensionale Darstellung repräsentiert ein komplexes Nanosystem, das mehrere aufkommende Nanotechnologien für Logik, Speicher und Sensing integriert