Mehr Funktionalität auf weniger Chipfläche
Elektronische Schaltungen, die je nach Wunsch ganz unterschiedliche Aufgaben erfüllen und mehr Funktionen auf weniger Chipfläche sind die Themen bei einem angewandten Forschungsprojekt der TU Wien.
Jede noch so komplizierte Datenverarbeitung am Computer lässt sich in kleine, simple logische Schritte zerlegen, etwa die Addition einzelner Bits, die Umkehrung logischer Zustände oder die Verwendung von Verknüpfungen wie „UND“ bzw. „ODER“. Solche Operationen werden am Computer durch ganz bestimmte Verschaltungen von Transistoren realisiert. Aus ihnen setzen sich dann größere Schaltungsblöcke zusammen, die dann komplexere Datenmanipulationen durchführen.
Weniger Herstellungskosten und Energie und dazu mehr Rechenleistung
In Zukunft könnte das Design elektronischer Schaltungen aber ganz anders aussehen. Seit Jahren ist etwa Thema, welche Möglichkeiten elektronische Schaltungen bieten würden, die nicht eine physikalisch fest vorgegebene Aufgabe erfüllen, sondern je nach Rechenaufgabe flexibel umgeschaltet werden können. Das wäre dann eine Umprogrammierung, die nicht auf Software-Ebene stattfindet, sondern auf fundamentaler Hardware-Ebene und damit direkt an den Transistoren als die fundamentalen elektronischen Schalter auf der Nanometer-Skala.
Exakt das ist nun einem Forschungsteam der TU Wien gelungen, wo intelligente, steuerbare Transistoren entwickelt und zu Schaltungen zusammengefügt wurden, die zuverlässig und schnell zwischen unterschiedlichen Aufgaben hin und her geschaltet werden können. So lässt sich dieselbe Funktionalität wie bisher auf weniger Chipfläche unterbringen. Das spart nicht nur Herstellungskosten und Energie und dazu werden höhere Rechengeschwindigkeiten ermöglicht.
Ein komplett neues Transistor-Konzept
„Normalerweise arbeitet man heute in der Mikroelektronik mit Halbleitern, die gezielt verunreinigt werden“, erklärt Walter M. Weber vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Das sind Materialien wie Silizium, in die bestimmte Fremdatome eingebaut werden, das sogenannte Dotieren.“ Entweder handelt es sich um Fremdatome, die ein Elektron mehr haben als die Atome in ihrer Umgebung, dann kann dieses Elektron relativ leicht im Material „herumwandern“. Oder sie haben ein Elektron weniger und Elektronen der Umgebung rücken nach, dann fehlt das Elektron anderswo. In diesem Fall wandert also statt des Elektrons ein sogenanntes „Loch“ durch das Material, eine Stelle, an der ein Elektron fehlt. Ladungstransport durch bewegliche Elektronen wie auch Ladungstransport durch bewegliche Löcher spielt in der Mikroelektronik eine wichtige Rolle. Die Dotierung entscheidet, wo und in welche Richtung Strom fließen kann und wo nicht. Dadurch wird die Funktion von konventionellen Transistoren fix bei der Herstellung festgelegt und kann nichtmehr geändert werden. Der Stromfluss durch den Transistor wird dann mittels Steuerelektrode „an“ oder „aus“ geschaltet.
Steuerung der Ladungsträger im Material durch elektrische Felder
Anders nun das Konzept der TU Wien, wo die dort entwickelten Transistoren überhaupt kein dotiertes Material mehr enthalten. Stattdessen wird das Verhalten der Ladungsträger im Material durch elektrische Felder gesteuert und dadurch wird festgelegt, wie sich der Transistor verhalten soll. Man spricht von „elektrostatischer Dotierung“. Sie ersetzt den technisch sehr komplexen und teuren Prozess der Dotierung mit Fremdatomen. „Wir können die Funktion einer Schaltung je nach Anforderung rekonfigurieren“, erklärt Masiar Sistan vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Man kann etwa aus zwei mit unserer Technologie sehr kompakten XOR-Verknüpfungen eine Additions-Schaltung machen. Mit herkömmlicher Technik müsste man zwei unterschiedliche Schaltungen für diese Aufgaben herstellen und daher viel mehr Chipfläche belegen, bei uns kann eine beides erledigen“, skizziert Sistan.
Entscheidende Parameter für die Chipindustrie
Ein weiter Effekt ist, dass mehr Funktionalität auf derselben Fläche untergebracht werden kann, für die Chipindustrie ein entscheidender Parameter. Schon 2021 präsentierte das Team erste intelligente, konfigurierbare Transistoren. Nun allerdings gelang der entscheidende Schritt, indem gezeugt werden konnte, dass sich daraus tatsächlich alle grundlegenden logischen Schaltungen zusammenfügen lassen – und dass diese durch Rekonfiguration der Bauteile in andere Schaltungen umgewandelt werden können.
Die Forschungsgruppe kooperiert nun bereits mit Firmen aus der Chipindustrie. „Das Interesse ist groß, unser Ansatz erfordert keine neuen Materialien oder Prozesse, wir verwenden Silizium und Germanium, also Materialien, die auch heute eingesetzt werden“, unterstreicht Weber von der TU Wien. Final könnten intelligente, rekonfigurierbare Bauteile eine spannende Option für intelligente, selbstlernende oder auch neuronale Computersysteme sein, die ihre Funktion ressourceneffizient an das Anforderungsprofil anpassen können.
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