"Green chips" für den Computer von übermorgen

Mit einem innovativen Konzept ebnen Wissenschaftler der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) den Weg für die Chip-Konstruktion zukünftiger Computer. Für die übernächste Generation von Computer-Chips bedeutet diese Entwicklung eine höhere Rechenleistung bei niedrigerem Energiebedarf – ein wichtiger Schritt für das „Green Computing“.

Eine Arbeitsgruppe um Professor Rainer Waser vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen entwickelte ein neuartiges Schaltungskonzept und die dazugehörige Technologie für sogenannte Memristor-Chips. Die Forscher leiten mit ihren Forschungsergebnissen einen Paradigmenwechsel in der Architektur von Computer-Chips ein. Die Publikation erscheint heute unter dem Titel „Complementary resistive switches for passive nanocrossbar memories“ in dem international renommierten Fachmagazin Nature Materials.

Es ist seit längerer Zeit bekannt, dass Memristor-Chips in alternativen Architekturen zukünftiger Computer eine wichtige Rolle einnehmen werden. Denn memristive Zellen haben die besondere Eigenschaft, dass ihr Widerstand (resistor) programmiert werden kann und anschließend gespeichert bleibt (memory). Bisher konnte jedoch eine Informationsüberlagerung zwischen benachbarten Zellen in strukturierten Anordnungen (Arrays) beim Einschreiben von Daten in eine solche Struktur – das sogenannte Übersprechen – nicht vermieden werden, ohne jeder Zelle einen eigenen Transistor anzugliedern. Dieser zusätzliche Konstruktionsaufwand begrenzt die Zellendichte heutiger Arrays und in Folge dessen auch die Leistung. Zudem verteuert er erheblich die Chip-Produktion.

Der Forschungsgruppe gelang ein Durchbruch in Bezug auf das fundamentale Problem des Übersprechens zwischen benachbarten memristiven Zellen. Wasers Mitarbeiter Eike Linn, RWTH Aachen, und seine Kollegen Roland Rosezin und Carsten Kügeler, beide Forschungszentrum Jülich, lösten diese Herausforderung durch die Entwicklung eines völlig neuartigen Schaltungskonzeptes. Es basiert auf der antiseriellen Verschaltung von zwei memristiven Zellen. Diese Zellen bilden zusammen eine neuartige Einheit, die von den Wissenschaftlern mit der Bezeichnung CRS-Zelle (Complementary Resistive Switch) versehen wurde. Zwischen CRS-Zellen findet keine unerwünschte Informationsüberlagerung statt.

Neben der Vermeidung des Übersprechens bieten passive Arrays, feste Anordnungen aus den neuen CRS-Zellen, den Vorteil eines besonders energieeffizienten Betriebs, da in einer solchen Chip-Architektur Rechen- und Speicherbereiche lokal vereint werden können. Ein großer Teil des Energiebedarfs heutiger Rechner ergibt sich aus der klassischen von-Neumann-Architektur. In ihr sind Speicherbereiche strikt von Rechenbereichen getrennt. Der dadurch notwendige Datentransport zwischen den Funktionsbereichen führt zu einem hohen Energieverbrauch.

In Bezug auf die Leistungsfähigkeit zeigen Simulationen, dass in der übernächsten Technologiegeneration (Gatelänge des Transistors 22 Nanometern) mit Hilfe von CRS-Zellen Arrays der Größe 10 hoch 8 Bit (100 Millionen) aufgebaut werden können. Im Vergleich dazu haben ähnliche Strukturen heutiger Rechner auf der untersten Ebene lediglich eine Größe von 10 hoch 3 (Tausend) Bit und benötigen für jede Zelle einen Transistor, um das Übersprechen zu vermeiden.

Publikation in Nature Materials:
http://dx.doi.org/10.1038/NMAT2748
Mehr zu JARA:
http://www.jara.org/
Mehr Informationen zum Thema:
http://www.jara.org/de/research/jara-fit/nachrichten/details/green-chips/
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Rainer Waser
Direktor am Institut für Festkörperforschung, Forschungszentrum Jülich Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II, RWTH Aachen

Mail: r.waser@fz-juelich.de; waser@iwe.rwth-aachen.de

Christian Schipke
Pressereferent
Jülich Aachen Research Alliance (JARA)
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