COMPASS MAGAZINE #10
COMPASS MAGAZINE #10

SELBSTORGANISIERENDE SYSTEME Im Wettlauf um Ersatz für Silizium erfahren Kohlenstoffnanoröhren einen großen Schub

Kohlenstoffnanoröhren besitzen großes Potenzial als möglicher Ersatz für Silizium bei der Herstellung von Halbleiterchips, doch sie müssen noch mit anderen Technologien konkurrieren. Während Silizium allmählich an seine physikalischen Grenzen stößt, wächst der Wunsch nach Alternativen und Investoren warten gespannt darauf, dass sich bald ein würdiger Nachfolger herauskristallisiert.

Seit im Oktober 2012 ein Forscher­team von IBM vermeldete, dass es eine neue Möglichkeit für den Bau von Halbleiterschaltungen mit Kohlenstoffnanoröhren (CNT = carbon nanotubes) gibt, sind Technologiebeobachter angesichts des lange erwar­teten Niedergangs von Silizium in heller Aufregung. Doch die Industrie und auch die Finanzanalysten konnten noch keinen klaren Favoriten als Nach­folger des Siliziums ausmachen.

„Die Chancen für Nanoröhren stehen gut“, sagt Pallavi Madakasira, Forschungs­leiterin für Energieelektronik bei Lux Research, einer in Boston (USA) an­sässigen, globalen Analystenfirma für neue Technologien. „Silizium kommt eindeutig an seine Leistungs­grenzen. Der Ansatz von IBM ist vielversprechend, doch es müssen noch praxistaugliche Lösungen gefunden werden, wie man die vorhandenen Anlagen, die derzeit bei der Halbleiterproduktion verwendet werden, weiter nutzen kann.

Die Investitionen in die Nanotechnologie, ein breites Industriesegment, zu dem neben Nanoröhren auch andere Nano­­materialien zählen, sind enorm und steigen kräftig. Lux Research schätzt, dass die weltweiten Umsätze von Produkten, die Nanotech-Bauteile enthalten, bis 2015 auf 2,4 Billionen US-Dollar steigen werden. Die staatlichen Investitionen in Nanotechnologie haben laut den Analysten der Londoner Consultingfirma Cientifica, die sich auf Nanotechnologie, neue Materialien, Biowissenschaften und Big Data spezialisiert hat, weltweit zugenommen. Cientifica hat ermittelt, dass die Regierungen Japans und der USA dabei die Rangliste anführen, gefolgt von der European Nano­technology Trade Alliance (ENTA), China, Singapur, Südkorea undTaiwan.

DATEN VERARBEITUNG: NÄCHSTE GENERATION

Silizium ist billig, reichlich vorhanden, leicht zu verarbeiten und bildete in den letzten fünfzig Jahren das Herz der digitalen Welt. 1965 postulierte der Mitbegründer von Intel, Gordon Moore, das mooresche Gesetz, gemäß dem sich die Anzahl der Transistoren auf einem Siliziumchip alle 18-24 Monate verdoppeln würde, und die Industrie war sogar selbst überrascht, dass diese Voraussage Realität wurde. Die Transistoren sind so klein geworden, dass ihre Dimensionen mittlerweile schon in Atomen gemessen werden.

„Wenn die Sterne günstig stehen kommen wir schon bald in den Genuss energieeffizienter Rechenleistung”

Wilfried Haensch Leiter des Bereichs Physik und materialen für Logikschaltungen und Kommunikation bei IBM

Während die Größe der Transistoren weiter abnimmt, stößt die Leitfähigkeit des Siliziums langsam an ihre Grenzen. Die heutigen Siliziumtransistoren benö­tigen rund 1 Volt, um ein Bit von 0 auf 1 zu ändern. Das Umschalten erzeugt Wärme und diese schränkt die Anzahl der auf einen Chip passenden Bauteile stark ein. Darum hat die Taktrate – die Zeit, die ein Silizium­transistor zum Umschalten zwischen 1 und 0 benötigt – vor einem Jahrzehnt bereits ihren Maximalwert erreicht.

Um die nicht mehr steigerbare Taktrate auszugleichen, entwickelten Ingenieure die parallele Daten­verarbeitung – Vierkern­prozessoren für Smartphones beispiels­weise, in denen vier Prozessoren separat und gleichzeitig arbeiten können. Doch schon bald wird nach Ansicht der Experten Silizium an seine Grenzen stoßen, was die helle Aufregung erklärt, die IBM ausgelöst hat, als das Unter­nehmen in der Zeitschrift Nature Nanotechnology bekannt gab, dass seine Forscher die Praxistauglichkeit von Kohlenstoffnanoröhren als Alternative für Silizium belegt haben. Das IBM-Team am T.J. Watson Research Center in Yorktown Heights, New York (USA), konnte als erstes die CNTs präzise auf einem Siliziumwafer in eingeätzten Rillen platzieren und daraus Chips mit mehr als 10.000 aktiven Transistoren bauen. Das scheint nicht viel zu sein, wenn man bedenkt, dass Siliziumchips heutzutage über 1 Milliarde Transistoren enthalten, also 100.000 mal so viele, wie IBM mit den CNTs realisiert hat. Aber es beweist, dass Nanoröhren in Schaltungen integriert werden können und die Chance bieten, dass Prozessoren noch kleiner werden, weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen, weil der Strom in den CNTs auf einen geringeren Widerstand trifft als in Silizium.

„Momentan ist diese Technologie als Ersatz für Silizium am viel­versprechendsten“, sagt Wilfried Haensch, Leiter des Bereichs Physik und Materialien für Logik­schaltungen und Kommunikation bei IBM, der seine Rolle in der Forschung mit einer „führenden Hand, die ein Team bei der Entwicklung von Ansätzen unter­stützt, die irgendwann zu einer neuen Technologie werden könnten“, vergleicht.

MIKROSKOPISCHER HASENDRAHT

CNTs sind gerollte Schichten aus Kohlen­stoffatomen. Sie haben eine hexagonale Struktur, die einer Rolle aus mikroskopisch kleinem Hasendraht ähnelt. CNTs besitzen beeindruckende halbleitende Eigenschaften und leiten Elektronen effizient, doch es war eine enorme Heraus­forderung die Röhren auf einem Chip in perfekten Schaltungen anzuordnen.

Das Team, bestehend aus acht Forschern von IBM, ent­wickelte einen chemischen „Selbstanordnungs­prozess“, mit dem die Röhren erfolgreich in einem vor­be-stimmten Muster auf dem Chip platziert wurden. Der komplexe, mehrstufige Prozess lässt sich nur mit hochtrabendem Vokabular aus der Molekularchemie beschreiben, aber er basiert auf demselben elektrostatischen Prinzip wie ein Laserdrucker. „Eigentlich ist es ganz simpel“, sagt Haensch. „Es ist erstaunlich, dass es funktioniert, aber man darf sich nicht täuschen lassen. Man benötigt dafür die richtigen Moleküle. Darin liegt das Geheimnis.“

Mit den 10.000 aktiven Transistoren hat IBM eine funktionelle Chipdichte von 1 Milliarde Nanoröhren pro Quadratzentimeter erreicht. Zwar reicht diese Dichte noch nicht aus, um herkömmliches Silizium zu ersetzen, aber dieser Ansatz ist schon 100 mal besser als alle vorherigen und lässt hoffen, dass ein Ersatz für Silizium in greifbarer Nähe ist. „Wenn die Sterne günstig stehen“, so Haensch, „kommen wir schon bald in den Genuss energie­effizienter Rechenleistung“. IBM kon­zentriert sich nun darauf, die Reinheit des Ausgangsmaterials der Kohlenstof­f­nanoröhren zu verbessern, um deren halbleitende Eigenschaften zu optimieren, und sucht nach Methoden, mit denen sich die Reinheit überprüfen lässt.

Es ist eine Materialreinheit von einer metallischen CNT pro mehreren hunderttausend CNTs in einer Schaltung erforderlich. Das Problem ist allerdings die Überprüfung der Materialreinheit. „Es ist nicht schwierig, Geräte zu bauen und Eigenschaften zu messen“, so Haensch. „Aber es ist sehr zeitaufwendig, wenn – wie für diesen Reinheitsgrad erforderlich – mehrere Millionen Elemen­te gemessen werden müssen. Es wäre wünschenswert, mit einer einfachen Methode alle Elemente auf einmal messen zu können, aber diese Methode existiert noch nicht.“

Das Team muss außerdem noch die Genauigkeit und Präzision der Plat­zierungsmethoden für Nanoröhren steigern. Haenschs Ziel ist es, bis 2020 ein neues Verfahren zu entwickeln, das in einem Nanosystem funktioniert.

DIE JAGD, SILIZIUM ZU ERSETZEN

Silizium ist trotz allem noch nicht abge­schrieben. Transistoren werden immer kleiner und Chiphersteller haben die nächsten Generationen von Siliziumchips entwickelt. „Die Siliziumtechnologie schläft nicht“, sagt Haensch. „Sie ent­wickelt sich ebenfalls weiter.“ Ein Forscherteam der University of New South Wales hat beispielsweise vor­hergesagt, dass Siliziumtransistoren noch vor 2020 atomare Größe erreichen werden. Der weltweite Chiphersteller Intel arbeitet derzeit an seinem kleinsten Transistor – 14 Nanometer – eine Größe, bei der schon fast die Manipulation einzelner Atome möglich ist.

David Carroll, Direktor des Zentrums für Nanotechnologie und molekulare Materialien an der Wake Forest University in Winston-Salem, North Carolina (USA), beglückwünscht IBM zum Forschungs­erfolg, möchte aber seine Erwartungen nicht zu hoch schrauben. „Dies ist ein großer Meilenstein, aber es gibt noch viel zu tun“, sagt Carroll. Er erwartet, dass es noch Jahrzehnte dauern wird, bis Nanoröhrenchips im Handel erhältlich sind, selbst wenn alle technischen Hürden überwunden werden können.

Es sei seiner Ansicht nach sogar möglich, dass die CNTs letztendlich doch nicht zum ersten kommerziell nutzbaren Ersatz für Silizium werden. An der renommierten Winterschule Kirchberg in Österreich beispielsweise wurden im Jahr 2013 die Nanoröhren noch nicht einmal erwähnt. Stattdessen wurde Graphen als das neue „Super­material“ bezeichnet. Doch auch die Silizium-Photonik, bei der Informationen mittels Licht übertragen werden, bietet faszinierende Möglichkeiten. Derzeit wird in den Tiefen der Computer- DNA geforscht, bei der mittels vieler ver­schiedener Moleküle der DNA spezielle Probleme gelöst werden sollen. Außerdem arbeiten Forscher an einem Quantenrechner; ein wissenschaftlicher Bereich, den Einstein einst als „unheimlich” bezeichnete. Madakasira, Analystin bei Lux Research, ist von Galliumnitrid ganz begeistert, einem harten und stabilen Material mit hoher Wärmekapazität und thermischer Leitfähigkeit, das seit den 1990er Jahren in LEDs eingesetzt wird.

VERLOCKENDE MÖGLICHKEITEN

Während die Siliziumtechnologie immer kleiner wird, werden die neuen Anwen­d­ungsgebiete immer breiter. Carroll verweist auf organische Elemente, mit denen menschliche Organe repariert werden, und auf Neuronetze, mit denen die Menschen über ihr Gehirn Prothesen steuern oder sogar Tastaturen bedienen können. Erst vor Kurzem wurde von Carrolls Nanocenter bekanntgegeben, dass Wissenschaftler einen neuen Stoff entwickelt haben, der aus der Wärme und Bewegung des menschlichen Körpers Strom erzeugt.

Was den Markt noch viel mehr begeistere als CNTs, seien die vielfältigen Möglich­keiten, glaubt Carroll. „Die Dringlichkeit, die Sie vernehmen, interpretiert der Markt so, dass wir ein neues Material brauchen“, so Carroll. „Aber das ist nicht ganz richtig. Was Sie vernehmen, ist der Wunsch nach weiterem Wachstum im Bereich der Elektronikanwendungen.“

von Dan Headrick Zurück zum Seitenbeginn