Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Prozessor erhält ein Gedächtnis

23.10.2003


Die Basis des "Chamäleon-Prozessors" funktioniert im Experiment. Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik haben weitere Studie veröffentlicht


Die Erfinder des magnetischen "Chamäleon-Prozessors" haben selbst bereits nachgewiesen, dass ihr Konzept nicht nur in der Theorie funktioniert. Dieser neuartige Prozessor vereint den Speicher mit der logischen Funktionalität der Recheneinheit - so, als ob die Festplatte rechnen könnte. Das Konzept dazu hatten Forscher des Berliner Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik kürzlich im Wissenschaftsjournal "Nature" vorgestellt. Die Studie fand ein großes Medienecho.

Weniger hohe Wellen schlug ein Fachartikel in der Zeitschrift Physical Review Letters, in dem eine Reihe von Experimenten zur so genannten Magnetologik dokumentiert ist. Doch diese Studie kann als experimenteller Nachweis für das veröffentlichte Konzept des magnetischen Chamäleon-Prozessors angesehen werden.


Worum geht es? Der Leiter der Arbeitsgruppe am PDI, Reinhold Koch, erläutert die Hintergründe: "Herkömmliche Prozessoren arbeiten mit elektrischem Strom, den sie entweder passieren lassen oder nicht." Gesteuert wird dies durch eine angelegte elektrische Spannung. Es handelt sich also um Schalter, üblicherweise Transistoren auf der Basis von Halbleitermaterialien wie Silizium. Derzeit basieren sowohl die schnellen dynamischen Speicher (DRAM) als auch die Logikelemente im Prozessor auf dieser Technologie. Seit einigen Jahren gibt es Überlegungen, nicht nur die elektrische Ladung als digitale Information (0 und 1) zu verwenden, sondern auch die magnetische Eigenschaft des Elektrons, den "Spin", zu nutzen. "Die Funktionalität des Transistors kann damit erweitert werden", erläutert Koch. Weltweit arbeiten viele Wissenschaftler auf dem Gebiet der "Spintronik" daran, die Spininformation möglichst effizient in den Halbleiter zu bringen. Einen ganz neuen Ansatz verfolgt die "Magnetologik", bei der magnetoresistive Elemente als Logikeinheiten fungieren. Der Trick: Ferromagnetische Materialien, die durch eine unmagnetische Schicht getrennt werden, zeigen einen unterscheidbaren Widerstand in Abhängigkeit von der Orientierung der Magnetisierung (parallel oder antiparallel). Erste schnelle magnetische Speicherelemente (MRAM), die nach diesem Prinzip arbeiten, werden 2005 auf dem Markt kommen und die bisherigen dynamischen Speicher (DRAM) ablösen. Der große Vorteil der magnetischen Speicher: Sie speichern nicht nur, sondern sie können auch "rechnen", da unterschiedliche magnetische Ausgangszustände durch die Nichtflüchtigkeit der Information für die Ausführung von Logikoperationen ausgenutzt werden können.

Im Frühjahr 2003 nun entdeckten die Wissenschaftler des PDI, dass ein dünner Film aus Manganarsenid (MnAs) auf einem Substrat von Galliumarsenid (GaAs) als logischer Schalter mit gleichzeitiger Speicherfunktion dienen kann. Der Film wird per Molekularstrahlepitaxie erzeugt, ein gebräuchliches Verfahren zur extrem dünnen Beschichtung. Wie mit einem Zerstäuber werden Mangan- und Arsen-Atome aufgebracht und bilden eine dünne Lage. Dünn heißt in diesem Fall 60 Nanometer, also sechzig Millionstel Millimeter (0,00006 Millimeter). Die hergestellte MnAs-Schicht ist, wie seit langem bekannt, am leichtesten in der Filmebene zu magnetisieren.

Die Berliner Wissenschaftler entdeckten, dass die leichte Magnetisierung des Films nicht nur mit einem parallelen Magnetfeld, sondern auch mit einem senkrechten Feld umgeschaltet werden kann. Sie erkannten, dass es durch diese Kopplung möglich ist, ein Logik-Bauelement mit zwei unabhängige Inputs aufzubauen. Durch geeignete Auswahl der Magnetfelder gelang es den Wissenschaftlern, sowohl die UND als auch die ODER-Logikfunktion im Labor zu realisieren. Ihr winziges Plättchen funktionierte wie ein Halbleiter-Transistor und behielt die eingegebene Information wie ein Magnet-Speicher auch nach Ausschalten des Stroms. Dabei ist besonders bemerkenswert, dass die Funktionalität des Bauelementes durch einen Setz-Schritt in Echtzeit programmiert werden kann. "Fügt man eine zweite magnetische Schicht hinzu wie im MRAM", ergänzt Carsten Pampuch, "ist die Verneinung der Logikfunktion ebenfalls zu realisieren." Somit stehen alle vier Basisfunktionen (UND; ODER; NICHT-UND; NICHT-ODER) für die Anwendung zur Verfügung. Des weiteren lassen sich durch das senkrechte Schaltfeld neue Konzepte für den Aufbau von MRAM-Strukturen realisieren. Magnetische Bauelemente eröffnen völlig neue Möglichkeiten in der Elektronik: magnetische Prozessoren verbrauchen weniger Strom, erhitzen sich weniger, können ihre Funktionalität verändern und sie erhalten ein "Gedächtnis". Die Wissenschaftler sind äberzeugt, dass so ein Prozessor mit Gedächtnis der Forschung auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz und der selbst lernenden Systeme neue Impulse gibt.

Weitere Informationen:
Reinhold Koch, PDI, 030-20377-414, Andreas Ney, PDI, 030-20377-266, Carsten Pampuch, PDI, 030-20377-266

Quellen: "Magnetologic with a-MnAs Thin Films" von C. Pampuch et al. In Physical Review Letters, Band 91, Nr. 14 "Programmable computing with a single magentoresistive element" von A. Ney et al. in NATURE, Bd. 425, S. 485

Josef Zens | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de

Weitere Berichte zu: Funktionalität Gedächtnis PDI Prozessor

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht IT-Sicherheitslücken – Gefahr für die Produktionstechnik
23.10.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Sicheres Bezahlen ohne Datenspur
17.10.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltweit lernen und arbeiten: Rund 80 neue Nachwuchskräfte in der Friedhelm Loh Group

23.10.2017 | Unternehmensmeldung

50-jähriges Jubiläum bei der JULABO GmbH

23.10.2017 | Unternehmensmeldung

DATEV eG beauftragt tisoware

23.10.2017 | Unternehmensmeldung