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Neuartige Chiparchitektur könnte das Mooresche Gesetz erweitern
In der Chipherstellungsindustrie bestand der beste Weg, um die Geschwindigkeit von Elektronik zu erhöhen und sie billiger zu machen, immer darin, die Transistoren eines Chips zu verkleinern, um Platz für mehr zu schaffen. Aber jetzt Forscher bei Hewlett-Packard (HP) Labs haben einen radikal anderen Ansatz angekündigt: ein Design, das Platz für achtmal mehr Transistoren auf einem Chip schafft und gleichzeitig die Notwendigkeit vermeidet, die Transistoren kleiner zu machen.
Diese bei HP entwickelten nanoskaligen Crossbars könnten zu einer völlig neuen Chiparchitektur führen, die die Chipleistung verbessern würde, ohne die Transistoren zu verkleinern. Die Crossbars werden auf den Transistoren platziert, ersetzen die derzeit zwischen ihnen befindlichen Drahtverbindungen und schaffen Platz für weitere Transistoren.
Wir in der Branche sind seit langem von der Idee besessen, dass eine höhere Kapazität [Chips] und niedrigere Kosten kleineren Transistoren entsprechen, und wir haben den Großteil unserer Bemühungen in diesen Bereich investiert, sagt Stanley Williams , Senior Fellow und Direktor der quantenwissenschaftlichen Forschung bei HP Labs. Die neue Forschung, sagt Williams, ist der erste Beweis dafür, dass es möglich ist, integrierte Schaltkreise dramatisch zu verbessern, ohne die Transistoren zu verkleinern.
Chipkomponenten sind seit den 1960er Jahren stetig kleiner geworden, gemäß dem Mooreschen Gesetz: der Vorhersage, dass sich integrierte Schaltkreise etwa alle zwei Jahre in Transistorkapazität und Geschwindigkeit verdoppeln werden. Ingenieure wissen jedoch, dass die Transistorgröße innerhalb des nächsten Jahrzehnts oder so an ihre physikalischen Grenzen stoßen wird. Das neue Design von HP könnte das Mooresche Gesetz um Jahre darüber hinaus verlängern, sagt Williams.
Das Problem bei der heutigen Chiparchitektur besteht darin, dass ein Großteil des Siliziums nicht für Transistoren verwendet wird. Stattdessen ist ein Großteil der Siliziumfläche mit Aluminiumdrahtverbindungen belegt, die der Schaltung Strom und Anweisungen zuführen. Um Platz für mehr Transistoren zu schaffen, entwarfen Williams und der HP-Forscher Greg Snider einen Chip mit den Drähten nach oben, anstatt zwischen den Transistoren. Die Untersuchung wird in der Ausgabe vom 24. Januar von . veröffentlicht Nanotechnologie .
Diese oberste Verdrahtungsschicht basiert auf einer Crossbar-Struktur – einer Art nanoskaligem Drahtgeflecht –, die Forscher der HP Labs seit den 1990er Jahren für molekulare Speichergeräte entwickelt haben. An jeder Verbindungsstelle im Netz, sagt Williams, befindet sich ein Schalter, der den Elektronenfluss zum und vom darunter liegenden Transistor steuert.
Die Arbeit von HP folgt der Forschung von Konstantin Likharev , Professor für Physik an der Stony Brook University in New York, der als erster vorschlug, Drähte auf Transistoren zu verbinden. Likharevs Schema erforderte jedoch eine atomare Manipulation der Nanodrähte – eine Herstellungsunmöglichkeit, sagt Williams. Im Gegensatz dazu, sagt Williams, hat das Design von HP das Potenzial, sich leicht in eine Chipherstellungsanlage zu integrieren.
Derzeit entwickeln HP-Forscher einen Laborprototyp, der das Design verwendet, und Williams erwartet, dass dieser bis Ende des Jahres fertig sein wird. Bis 2010 soll die Technologie serienreif sein.
Die erste Anwendung der Technologie wird höchstwahrscheinlich in einem Chiptyp sein, der als feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) bezeichnet wird und die Flexibilität besitzt, für eine Vielzahl von Aufgaben programmiert zu werden. FPGAs werden typischerweise in der Designphase von Elektronik- und Kommunikationssystemen verwendet. Sobald die Fehler im Design jedoch behoben sind, ersetzen die Hersteller FPGAs durch schnellere, billigere Chips, die als anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) bezeichnet werden. Die Reduzierung der Größe und Kosten von FPGAs und die Erhöhung ihrer Geschwindigkeit haben das Potenzial, das Gleichgewicht zwischen FPGAs und ASICs zu verschieben, sagt Williams.