Forscher bauen neuartigen 3D-Mikrochip

Forscher der University of Cambridge haben einen neuartigen Speicherchip gebaut, bei dem Information in drei statt nur zwei Dimensionen fließt. Das stellt deutlich effizientere Elektronik in Aussicht.

„Heutige Chips sind in der dritten Dimension sehr verschwenderisch – das Gehäuse ist Millimeter dick, aber es gibt nur eine Schicht aktiver Komponenten im Chip, die nur einige Mikrometer Dicke ausmachen“, erklärt Russel Cowburn, Physikprofessor in Cambridge, gegenüber pressetext. Der neue Ansatz verspricht Mikrochips, die innen viel mehr speichern können, ohne nach außen größer zu werden.

Die heute, Donnerstag, im Magazin Nature vorgestellte Entwicklung kombiniert dazu Spintronik, bei der Information nicht in der Ladung, sondern dem Spin von Elektronen gespeichert wird, mit einem speziellen Aufbau. Dieser kommt dank funktionellen Materialschichten ohne Transistoren aus, um Daten zwischen verschiedenen Ebenen des Chips zu verschieben. „Unser Zugang bedeutet nur einen geringen Kostenzuwachs pro Schicht“, betont dabei Cowburn. Das sei ein Vorteil gegenüber anderen 3D-Chipkonzepten, bei denen die Kosten mit der Zahl der Ebenen deutlich steigt.

Einfach die richtigen Materialien

Um bei einem dreidimensionalen Chip Daten zwischen den einzelnen Ebenen zu verschieben, wäre normalerweise eine Reihe von Transistoren nötig. Doch die damit verbundene Komplexität und der Platzbedarf würde die Vorteile des Übergangs zum 3D-Aufbau weitgehend zunichte machen, so die Forscher.

Daher setzen sie stattdessen auf einen neuen, experimentellen Ansatz namens „Sputtering“. Dabei haben sie auf einem Silizium-Chip wenige Atome dicke Lagen aus drei Materialien aufgebaut. Kobalt- und Platinatome dienen dabei zum Speichern digitaler Information, während Ruthenium-Atome sie zwischen verschiedenen Schichten weiterleiten.

Dass so das Material die Funktion von Transistoren übernimmt, führt unter anderem dazu, dass die Entwicklung sehr kompakt ausfällt. „Unser heute veröffentlichter Demonstrator-Chip hat elf funktionelle Lagen, die insgesamt nur 20 Nanometer dick sind“, so Cowburn. Das Gehäuse müsste somit nicht dicker ausfallen als bei aktuellen Mikrochips, obwohl viel mehr Daten gespeichert werden könnten. Zwar sind Platin und Ruthenium relativ teure Elemente, doch auch das macht dank des neuen Konstruktionsprinzips wenig aus. „Wenn man nur wenige Atome braucht, kann man günstig viele Chips fertigen“, erklärt der Pysiker.

Vielseitiges Potenzial

Der aktuell vorgestellte Spintronik-Chip ähnelt zwar am ehesten einem RAM-Baustein, das Konstruktionsprinzip sollte dem Cambridge-Team zufolge aber auch für andere Elektronikelemente geeignet sein. „Es kann gut sein, dass die ersten realweltlichen Anwendungen nicht im Bereich Speicher liegen, sondern anderswo“, meint Cowburn. Als Beispiel nennt er den medizinischen Bereich. Dem Physiker zufolge arbeitet man an verschiedenen Ansätzen, die Entwicklung wirklich auf den Markt zu bringen. „Ich hoffe, dass wir in den nächsten paar Jahren etwas herausbringen.“