Speedlimit für Computer: 1.000.000 Gigahertz

Martin Schultze ©TU Graz

Technik-Unis. Bei einer Million Gigahertz ist Schluss mit der Taktfrequenz. Dann ist nämlich die physikalische Grenze der Signalgeschwindigkeit in Transistoren erreicht, wie ein deutsch-österreichisches Physikteam nun festgestellt hat.

Die Maximalgeschwindigkeit der Signalübertragung in Mikrochips liegt bei etwa einem Petaherz (eine Million Gigahertz) und ist damit etwa 100.000 Mal schneller, als es derzeitige Transistoren maximal sind. Diese Erkenntnis haben Physiker*innen der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universitäten Wien und Graz nun veröffentlicht (M. Ossiander et al., The speed limit of optoelectronics, Nature Communications (2021)).

Ob Computerchips mit dieser Maximalkapazität jemals tatsächlich hergestellt werden können, ist natürlich fraglich. Jedenfalls ist viel Luft nach oben: Aktuelle Top-Prozessoren für Endverbraucher sind deutlich weniger flott. So taktet zum Beispiel eine CPU der Intel Core i-12000 Serie mit maximal 5,2 Gigahertz.

Der Weg zu immer mehr Speed

Die Mikroelektronik verfolgt zwei Ansätze, um Computer schneller zu machen:

  • Einerseits wird daran gearbeitet, die Bauteile immer mehr zu verkleinern, damit die Datenübertragung (Signalweg von A nach B) buchstäblich „nicht so lange braucht“. Die physikalische Grenze dieser Miniaturisierung liegt bei der Größe eines Atoms. Kleiner kann ein Schaltkreis physikalisch nicht sein, erläutert die TU Graz in einer Aussendung.
  • Die zweite Möglichkeit für eine schnellere Datenübertragung liegt darin, die Schaltsignale von Transistoren per se zu beschleunigen. Das sind jene Komponenten in Mikrochips, die den Strom fließen lassen, oder ihn blockieren.

Beim zweiten Weg setzte die Forschung der deutsch-österreichischen Physikergruppe an. Schnell bedeutet in diesem Fall „hochfrequent“, wie der Hauptautor und Leiter des Instituts für Experimentalphysik der TU Graz Martin Schultze erklärt: „Je schneller man werden will, desto hochfrequenter muss das elektromagnetische Signal sein – und irgendwann kommen wir so in den Bereich der Lichtfrequenz, die auch als elektromagnetisches Signal betrachtet bzw. verwendet werden kann.“

Das geschieht beispielsweise in der Optoelektronik, wo Licht dafür verwendet wird, um im Halbleiter die Elektronen vom Valenzband (jener Bereich, wo sich die Elektronen normalerweise aufhalten) zum Leitungsband anzuregen, damit er vom isolierten in den leitenden Zustand wechselt, heißt es weiter.

Vom Feld zum Strom

Elektrischer Strom und Licht (also elektromagnetische Felder) gehören untrennbar zusammen, erläutert die TU Wien: In Mikrochips wird Strom mit Hilfe elektromagnetischer Felder kontrolliert. So kann man etwa ein elektrisches Feld an einen Transistor anlegen, und je nachdem, ob das Feld eingeschaltet ist oder nicht, lässt der Transistor Strom fließen oder blockiert ihn. So wird ein elektromagnetisches Feld in ein Stromsignal umgewandelt.

Wenn man die Grenzen dieser Umwandlung von elektromagnetischen Feldern zu Stromsignalen ausloten möchte, dann verwendet man statt Transistoren vorzugsweise Laserpulse – die schnellsten, präzisesten elektromagnetischen Felder, die es gibt. „Man untersucht ein Material, das zunächst keinen elektrischen Strom leitet“, erklärt Prof. Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Es wird mit einem ultrakurzen Laserpuls mit einer Wellenlänge im extremen UV-Bereich beschossen. Dieser Laserpuls bringt die Elektronen in einen energiereicheren Zustand, sodass sie sich plötzlich frei bewegen können. So wird das Material durch den Laserpuls kurzfristig zum elektrischen Leiter.“ Sobald sich im Material frei bewegliche Ladungsträger befinden, können sie von einem zweiten, etwas längeren Laserpuls in eine bestimmte Richtung bewegt werden. So entsteht ein elektrischer Strom, der dann mit Elektroden auf beiden Seiten des Materials detektiert werden kann.

Diese Vorgänge laufen extrem schnell ab – auf einer Zeitskala von Atto- oder Femtosekunden. „Lange Zeit hat man solche Prozesse als instantan betrachtet“, sagt Prof. Christoph Lemell (TU Wien). „Heute allerdings haben wir die technologischen Möglichkeiten, den zeitlichen Ablauf dieser ultraschnellen Vorgänge im Detail zu studieren.“ Die entscheidende Frage ist: Wie schnell reagiert das Material auf den Laser? Wie lange dauert die Signalentstehung und wie lange muss man warten, bis das Material dem nächsten Signal ausgesetzt werden kann? Die Experimente dazu wurden in Garching und Graz durchgeführt, die theoretische Arbeit sowie Computersimulationen an der TU Wien.

Dielektrisches Material als Kandidat für Speed-Rekorde

Ein besonders attraktiver Kandidat für hohes Tempo sind dabei dielektrische Materialien (wie z. B. Gläser oder Keramiken), da sie verglichen mit Halbleitern viel mehr Energie benötigen, um angeregt zu werden. Mehr Energie erlaubt wiederum den Einsatz von höherfrequenterem Licht und damit eine schnellere Datenübertragung.

Leider aber können dielektrische Materialien keinen Strom leiten, ohne kaputt zu gehen, wie Marcus Ossiander, Erstautor der Studie und derzeit Postdoktorand an der Universität Harvard bildhaft erklärt: „Wenn Sie beispielsweise ein elektromagnetisches Feld in Glas anlegen, damit dieses Strom leitet, dann ist das Glas hinterher zerbrochen oder hat ein Loch.“ Der Ausweg, den die Forschungsgruppe für ihre Untersuchungen wählte: Die Spannung bzw. die Schaltfrequenz so kurz zu halten, dass das Material gar keine Zeit hat, um zu brechen.

Der richtige Puls liefert die richtigen Antworten

Konkret verwendeten die Physiker*innen für ihre Untersuchungen einen ultrakurzen Laserpuls mit einer Frequenz im extremen UV-Bereich. Mit diesem Laserpuls beschossen sie eine Lithiumfluorid-Probe. Lithiumfluorid ist dielektrisch und weist von allen bekannten Materialien die größte Bandlücke auf. Das ist der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband.

Der ultrakurze Laserpuls brachte die Elektronen im Lithiumfluorid in einen energiereicheren Zustand, sodass sie sich frei bewegen konnten. So wurde das Material kurzfristig zum elektrischen Leiter. Ein zweiter, etwas längerer Laserpuls steuerte die angeregten Elektronen in eine gewünschte Richtung, wodurch ein elektrischer Strom entstand, der dann mit Elektroden auf beiden Seiten des Materials detektiert werden konnte.

Und wie schnell war das jetzt?

Die Messungen lieferten Antworten auf die Fragen, wie schnell das Material auf den ultrakurzen Laserpuls reagierte, wie lange die Signalentstehung dauerte und wie lange man warten muss, bis das Material dem nächsten Signal ausgesetzt werden kann. Daraus ergibt sich, dass bei etwa einem Petahertz eine Obergrenze für kontrollierte optoelektronische Prozesse liegt, so die TU Wien.

Das heißt freilich nicht, dass Computerchips mit einer Taktfrequenz von knapp einem Petahertz hergestellt werden können. Fest steht aber: Schneller als in den Untersuchungen gezeigt wurde, wird Optoelektronik vorerst nicht werden – wie nahe zukünftige Technologien an diese Grenze rankommen, steht in den Sternen, so die Forschenden.

 

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