Alternative Rechnerarchitekturen auf der Basis von so genannten CRS-Arrays könnten zu „grünen“ Supercomputern von übermorgen führen. Das zeigt ein neuartiges Schaltungskonzept und die dazugehörige Technologie für so genannte Memristor-Chips, das Forscher jetzt in „Nature Materials“ vorstellen. Die Entwicklung ermöglicht eine höhere Rechenleistung bei niedrigerem Energiebedarf.
Die Hardware heutiger Computer – von Handys über Laptops und Server bis zu Supercomputern – basiert auf der konventionellen von-Neumann-Architektur, bei der Speicher- und Logikbereiche strikt getrennt werden. Dies führt aufgrund des notwendigen Datentransports zwischen den verschiedenen Funktionsbereichen zu den hohen Energieverlusten in heutigen Chips. Auf dem Papier gibt es alternative Architekturen, doch sie haben noch zwei Haken: Es gibt in der herkömmlichen Siliziumtechnologie keine sogenannten memristiven Funktionen, d.h. Bauelemente, deren Widerstand programmiert werden kann und anschließend ohne weitere Energiezufuhr erhalten bleibt. Bisher konnte das Übersprechen zwischen benachbarten memristiven Zellen in passiven Arrays beim Einschreiben von Daten in eine solche Struktur 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.
Neuartiges Schaltungskonzept
Einer Arbeitsgruppe um Professor Rainer Waser vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen gelang nun ein Durchbruch in Bezug auf das fundamentale Problem des Übersprechens zwischen benachbarten memristiven Zellen. Eike Linn von der 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.
Die neue Technologie bietet noch weitere Vorteile: Da Speicher- und Logikbereiche lokal vereint werden können, ist mit passiven CRS-Arrays ein besonders energieeffizienter Betrieb möglich. Passive Arrays aus CRS-Zellen können zudem 3D-gestapelt werden. Dadurch kann die Anzahl der Zellen auf einer Fläche signifikant erhöht werden. Simulationen zeigen, dass in der übernächsten Technologiegeneration bei einer Gatelänge des Transistors von 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 Tausend Bit und benötigen für jede Zelle einen Transistor, um das Übersprechen zu vermeiden.
(JARA, 19.04.2010 – NPO)
