Bis ans Limit

Mit seinem Atomschalter hat das Kompetenz­zentrum für Einzelatom-Elektronik und -Photonik in den letzten acht Jahren Massstäbe gesetzt beim Energie­verbrauch in der Elektronik. Nun nimmt das Team an der ETH Zürich und am KIT Karlsruhe in einem gemeinsamen Ergänzungs­projekt gar das unterste physikalisch mögliche Limit der Schalt­energie ins Visier.

Internet, künstliche Intelligenz, autonomes Fahren: Die Informations­technologie verändert unsere Welt. Ein Bauteil steht im Mittelpunkt dieser Entwicklungen: der Transistor. Dieser zentrale Bestandteil logischer Schaltungen ermöglicht es, den elektrischen Strom zwischen zwei Elektroden durch eine unabhängige dritte Elektrode zu steuern.

Die Häufigkeit, mit der dieses Bauelement genutzt wird, lässt sich kaum ermessen: Für Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) existieren inzwischen Mikro­prozessoren mit mehreren Billionen Transistoren. Zwar sind die heutigen, aus Halb­leiter-Materialien wie Silizium bestehenden Transis­toren im Lauf der letzten Jahr­zehnte winzig klein geworden. Doch wegen des exponentiell wachsenden Bedarfs nimmt der weltweite Energie­bedarf für die Datenverarbeitung stark zu.

Ein (vorläufiger) Weltrekord

«Wir benötigen deshalb dringend Transistoren, die noch viel weniger Energie verbrauchen», sagt Thomas Schimmel, Professor für Physik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). In den letzten acht Jahren hat er mit seinem Team im Kompetenz­zentrum für Einzelatom-Elektronik und -Photonik in einem von der Werner Siemens-Stiftung (WSS) unterstützten Projekt ein viel­versprechen­des Konzept entwickelt: den atomaren Transistor, zum Beispiel in Form eines Einzel­atom­schalters, bei dem ein einzelnes oder wenige Atome für den Schaltprozess genutzt werden.

Statt 600 bis 700 Millivolt Spannung wie bei Halb­leiter-Transis­toren benötigt ein solcher atomarer Schalter nur wenige Millivolt, um eine Schaltung in Gang zu setzen. Im Rahmen des Projektes hat das Team mit einer Schalt­spannung von 3 Millivolt, also 200 Mal niedriger als mit herkömm­licher Technik, gar einen Welt­rekord aufgestellt. «Weil der Energie­verbrauch mit dem Quadrat der Schalt­spannung zunimmt, entspricht dies einem enor-men Energie­spar­potenzial», sagt Thomas Schimmel.

Doch das ist nicht das Ende der Fahnen­stange: Professor Jürg Leuthold von der ETH Zürich als Direktor und die Co-Direktoren des Zentrums, Professor Mathieu Luisier von der ETH Zürich und Professor Thomas Schimmel, sind überzeugt, dass das Energie­spar­potenzial noch grösser ist – viel grösser. In einem Ergänzungs­projekt, das die WSS in den kommenden vier Jahren mit 4,2  Mio. Schweizer Franken unterstützt, wollen sie das physikalische Limit erreichen, unterhalb dessen keine Informations­verarbeitung mehr möglich ist.

Dieses Limit wurde im Jahr 1961 vom deutsch-amerikanischen Physiker Rolf Landauer formuliert und wird deswegen Landauer-Limit genannt. Es beschreibt die minimal benötigte Energiemenge, um 1 Bit Information in einen definierten Zustand zu bringen (0 oder 1). «Die Schalt­energien unseres atomaren Transistors liegen derzeit noch erheblich über dem Landauer-Limit», sagt Thomas Schimmel. «Wir sind schon sehr weit gekommen, aber wir sind noch nicht dort, wo wir sein könnten.»

Der Optimismus der Forscher gründet auf kürzlichen Ent­deckungen. In noch nicht publizierten Experi­menten haben sie die Schaltspannung ihrer atomaren Tran­sistoren noch einmal drastisch reduziert. Möglich gemacht haben dies unter anderem Veränderungen der Geometrie und neue Herstellungs­verfahren für die Nano-Elektroden.

Riesiges Energiesparpotenzial

Noch erlaubten diese tieferen Spannungen keinen zuverlässigen Langzeit­betrieb eines Bauelements, räumen Thomas Schimmel und Jürg Leuthold ein. «Doch die Ergebnisse sind ein klarer Hinweis darauf, dass der Weltrekord von 3 Millivolt keineswegs die physika­lische Grenze für unser Bauelement darstellt.» Sie gehen davon aus, dass noch einmal eine Reduktion der Schaltspannung um einen Faktor Hundert möglich sein wird. Das würde nicht nur den Energie­verbrauch des Transistors dramatisch reduzieren, sondern auch jenen der Zuleitungen zum Bauteil. «Wir sprechen von einer Reduktion der Zuleitungs­verluste um einen Faktor von 100 Millionen und mehr», sagen die beiden Wissenschaftler.

Neben der Schalt­spannung nehmen die Forschenden im Ergänzungs­projekt auch die Kapazität des Bauteils ins Visier. Die Kapazität beeinflusst die Geschwindig­keit, mit der ein Transistor ein- und ausgeschaltet werden kann. Heute sind die Schalt­geschwindig­keiten des atomaren Schalters noch nicht ausreichend hoch. Durch die Miniaturi­sierung der Elektroden­flächen und Zuleitungen mithilfe neuartiger Nano­strukturierungs­techniken, so Leuthold, seien auch hier grosse Fort­schritte möglich.

Die Expedition zu den Grenzen der Elektro­technik hat also begonnen. Und Thomas Schimmel und Jürg Leuthold sind optimistisch. «Unser Ziel ist es, eine neue Techno­logie für eine nachhaltige Daten­verarbeitung bereitzustellen – und wir haben die Voraus­setzungen dafür.»