Wenige Atome dünn

Schnellere Rechner: Wiener schrumpfen Prozessor

11.04.2017 10:38

Die Miniaturisierung siliziumbasierter Mikroprozessoren stößt langsam, aber sicher an ihre Grenzen. Mit der Entwicklung eines einfachen, aber voll funktionsfähigen Prozessors aus einem zweidimensionalen Halbleitermaterial zeigen Forscher der TU Wien nun im Fachjournal "Nature Communications" eine Alternative auf.

Die rasante Entwicklung der Rechenleistung von Mikrochips beruht vor allem auf der stetigen Verkleinerung ihrer elementaren Schaltelemente - der Transistoren. Für Siliziumchips, wie sie in jedem PC oder Smartphone zu finden sind, ist diese Entwicklung jedoch nahezu ausgereizt. Man nähert sich zusehends einem theoretischen Limit, ab dem grundlegende physikalische Einschränkungen keine weitere Verkleinerung mehr zulassen.

Ein möglicher Ausweg wären sogenannte zweidimensionale Materialien - hauchdünne Kristallplättchen mit einer Stärke von nur wenigen Atomlagen. Sie sollten theoretisch auf der gleichen Fläche etwa 25-mal mehr Transistoren beherbergen können als Silizium. Der Forschergruppe um Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien ist es nun gelungen, 115 Transistoren in ein solches Material zu integrieren, die gemeinsam einen Prozessor bilden.

Grundlegende Prozessorfunktionen demonstriert
Im Vergleich zu den Hunderten Millionen Transistoren in einem modernen Siliziumchip mag das wenig erscheinen, dennoch reicht es aus, um die grundlegenden Funktionen eines Mikroprozessors zu demonstrieren. "Unser Prozessor ist in der Lage, Programme aus einem externen Speicher zu übernehmen und damit Daten zu verarbeiten", erklärt Müller.

Schon bisher wurden immer wieder einzelne digitale Bauelemente auf Basis zweidimensionaler Materialien vorgestellt. Das Zusammenspiel mehrerer Transistoren zu einem voll funktionsfähigen Prozessor stellt allerdings eine besondere Herausforderung dar, da die einzelnen Bauteile perfekt aufeinander abgestimmt sein müssen.

"Skalierung nach oben steht nichts im Weg"
Das Herzstück des neuen Prozessors bildet ein zweidimensionaler Film aus Molybdändisulfid, einer Verbindung aus Molybdän- und Schwefelatomen. Er hat eine Fläche von weniger als einem Quadratmillimeter und wurde mit den gängigen Prozessen der normalen Halbleitertechnologie strukturiert. "Grundsätzlich steht einer Skalierung nach oben, also einer Integrierung von deutlich mehr Transistoren, nichts im Weg", so Müller. "Dazu bräuchte es allerdings industrielle Methoden, die mit höherer Reinheit arbeiten, als wir das im Labor derzeit machen können."

Deshalb haben sich die Forscher bei ihrem Prototypen auch auf die Verarbeitung eines einzigen Bits beschränkt, während gängige Siliziumprozessoren bis zu 64 Bits parallel verarbeiten. Als nächsten Schritt planen Müller und seine Kollegen jedoch bereits einen zweidimensionalen 8-Bit-Prototypen.