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Neue Logikgatter sind millionenfach schneller als heutige Chips

Zeitstempel: 23. Mai 2022, 10:00 Uhr
Lichtwellenelektronik, die ein schnelles Logikgatter berechnet

As Moores Gesetz zu verlangsamen beginnt, wird nach neuen Wegen gesucht, um den exponentiellen Anstieg der Verarbeitungsgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass ein exotischer Ansatz namens „Lichtwellenelektronik“ ein vielversprechender neuer Weg sein könnte.

Während die Innovation bei Computerchips noch lange nicht tot ist, gibt es Anzeichen dafür, dass die exponentielle Zunahme der Rechenleistung, an die wir uns in den letzten 50 Jahren gewöhnt haben, tot ist fängt an langsam zu werden. Da Transistoren auf fast atomare Größenordnungen schrumpfen, wird es immer schwieriger, mehr auf einen Computerchip zu quetschen, was den Trend untergräbt, den Gordon Moore erstmals 1965 beobachtete: dass sich die Zahl etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Aber ein ebenso wichtiger Trend bei der Rechenleistung verebbte schon viel früher: „Dennard-Skalierung,“, die besagte, dass die Leistungsaufnahme von Transistoren mit ihrer Größe sank. Dies war eine sehr nützliche Tendenz, da sich Chips schnell erhitzen und beschädigt werden, wenn sie zu viel Strom ziehen. Dennard-Skalierung bedeutete, dass jedes Mal Transistoren shrank, ebenso wie ihr Stromverbrauch, der es ermöglichte, Chips schneller zu betreiben, ohne sie zu überhitzen.

Aber dieser Trend kam im Jahr 2005 aufgrund der zunehmenden Auswirkungen von Leckströmen in sehr kleinen Größenordnungen zum Stillstand, und der exponentielle Anstieg der Chip-Taktraten verebbte. Die Chiphersteller reagierten mit der Umstellung auf Multi-Core-Verarbeitung, bei der viele kleine Prozessoren parallel laufen, um Jobs schneller zu erledigen, aber die Taktraten sind seitdem mehr oder weniger stagnierend geblieben.

Jetzt haben Forscher jedoch die Grundlagen einer Technologie demonstriert, die Taktraten ermöglichen könnte, die millionenfach höher sind als die heutigen Chips. Der Ansatz beruht auf der Verwendung von Lasern, um einen ultraschnellen Burst hervorzurufens von Elektrizität und wurde verwendet, um das schnellste Logikgatter aller Zeiten zu schaffen – den grundlegenden Baustein aller Computer.

Die sogenannte „Lichtwellenelektronik“ beruht darauf, dass es möglich ist, mit Laserlicht Elektronen in leitenden Materialien anzuregen. Forscher haben bereits gezeigt, dass ultraschnelle Laserpulse in der Lage sind, Stromstöße im Femtosekunden-Zeitbereich zu erzeugen – ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde.

Etwas Nützliches mit ihnen zu tun, hat sich als schwer fassbar erwiesen, aber in a Papier in Natur, Forscher nutzten eine Kombination aus theoretischen Studien und experimentellen Arbeiten, um einen Weg zu finden, dieses Phänomen für die Informationsverarbeitung zu nutzen.

Als das Team seinen ultraschnellen Laser auf einen Graphendraht feuerte, der zwischen zwei Goldelektroden gespannt war, erzeugte er zwei verschiedene Arten von Strömen. Einige der vom Licht angeregten Elektronen bewegten sich nach dem Ausschalten des Lichts weiter in eine bestimmte Richtung, andere hingegen wewieder vorübergehend und were nur in Bewegung, während das Licht waist an. Die Forscher fanden heraus, dass sie die Art des erzeugten Stroms steuern konnten, indem sie die Form ihrer Laserpulse veränderten wurde dann als Grundlage ihres Logikgatters verwendet.

Logikgatter arbeiten, indem sie zwei Eingänge – entweder 1 oder 0 – verarbeiten und einen einzigen Ausgang bereitstellen. Die genauen Verarbeitungsregeln hängen von der Art des Logikgatters ab, das sie implementiert, aber beispielsweise gibt ein UND-Gatter nur dann eine 1 aus, wenn beide Eingänge 1 sind, andernfalls gibt es eine 0 aus.

In dem neuen Schema der Forscher werden zwei synchronisierte Laser verwendet, um Bursts von entweder transienten oder permanenten Strömen zu erzeugen, die als Eingänge für das Logikgatter dienen. Diese Ströme können sich entweder addieren oder aufheben, um als Ausgabe das Äquivalent einer 1 oder 0 bereitzustellen.

Und aufgrund der extremen Geschwindigkeiten der Laserpulse kann das resultierende Gate mit Geschwindigkeiten im Petahertz-Bereich arbeiten, was eine Million Mal schneller ist als die Gigahertz-Geschwindigkeiten, die die schnellsten Computerchips von heute bewältigen können.

Offensichtlich ist der Aufbau viel größer und komplexer als die einfache Anordnung von Transistoren, die für herkömmliche Logikgatter verwendet werden, und es wird eine Mammutaufgabe sein, ihn auf die Maßstäbe zu verkleinern, die für die Herstellung praktischer Chips erforderlich sind.

Aber auch wenn Petahertz-Computing nicht so bald um die Ecke ist, deuten die neuen Forschungsergebnisse darauf hin, dass die Lichtwellenelektronik ein vielversprechender und leistungsstarker neuer Weg sein könnte, den es für die Zukunft zu erforschen gilt Computing.

Bildnachweis: University of Rochester / Michael Osadciw

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