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18.04.10 20:11 Alter: 11 Jahre
Von: Arno Kral / Nina Eichinger

"Green Chips" für Computer von übermorgen

CRS-Zellen sind der Durchbruch der JARA-FIT-Wissenschaftler in der Konstruktion von Computer-Chips der übernächsten Generation


Blick in eine CRS-Struktur mit Nanometer-Auflösung. Es sind elektrochemisch gebildete Filamente aus Kupferatomen zu sehen, die entweder im oberen Teil oder im unteren Teil einer Zelle gebildet sind und damit den Zustand "0" oder "1" repräsentieren. Aufgrund der geringen Abmessungen dieser "Nanobatterien" können die Zellen in wenigen Nanosekunden mit einer außerordentlich kleinen Energie umgeschaltet werden.

GreenChips mit memresistiven Zellen

JARA-Logo

Aachen/Jülich – Die Wissenschaftler der Jülich Aachen Research Alliance (JARA)  wollen mit einem innovativen Konzept den Weg für die Chip-Konstruktion zukünftiger Computer bereiten, die der übernächsten Computer-Chip-Generation höhere Rechenleistung bei niedrigerem Energiebedarf bescheren soll und damit einen wichtigen Schritt in Richtung "Green Computing" darstellt. Eine Arbeitsgruppe um Professor Rainer Waser vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen hat ein neuartiges Schaltungskonzept und die dazugehörige Technologie für sogenannte Memristor-Chips entwickelt. Die Forscher leiten mit ihren Forschungsergebnissen einen Paradigmenwechsel in der Architektur von Computer-Chips ein. Die Publikation erscheint heute unter dem Titel "Complementary resistive switches for passive nanocrossbar memories" in dem international renommierten Fachmagazin Nature Materials.

Dass Memristor-Chips in alternativen Architekturen zukünftiger Computer eine wichtige Rolle einnehmen werden ist schon längerer Zeit. Memristive Zellen haben nämlich die besondere Eigenschaft, dass ihr Widerstand (engl.: resistor) programmierbar ist und anschließend gespeichert bleibt (engl.: memory). Bisher ließ sich jedoch eine Informationsüberlagerung zwischen benachbarten Zellen in strukturierten Anordnungen (Arrays) beim Einschreiben von Daten in eine solche Struktur - das sogenannte Übersprechen - nicht vermeiden, ohne jeder Zelle einen eigenen Transistor angliedern zu müssen. Dieser zusätzliche Konstruktionsaufwand begrenzt die Zellen-Dichte heutiger Arrays und in Folge dessen auch deren Leistung. Zudem verteuert er erheblich die Chip-Produktion.

Der Forschungsgruppe ist nun ein Durchbruch in Bezug auf das fundamentale Problem des Übersprechens zwischen benachbarten memristiven Zellen gelunden. Wasers Mitarbeiter Eike Linn, 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 zweier memristiver Zellen zu einer neuartigen Einheit, der CRS-Zelle (Complementary Resistive Switch). Zwischen CRS-Zellen findet keine unerwünschte Informationsüberlagerung statt. Neben der Vermeidung des Übersprechens bieten passive Arrays, feste Anordnungen aus den neuen CRS-Zellen, den Vorteil eines besonders energie-effizienten Betriebs, da in einer solchen Chip-Architektur Rechen- und Speicherbereiche lokal vereint werden können.

Ein großer Teil des Energiebedarfs heutiger Rechner ergibt sich aus der klassischen von-Neumann-Architektur, die Speicherbereiche strikt von Rechenbereichen trennt. Der so erforderliche Datentransport zwischen den Funktionsbereichen führt zu hohem Energieverbrauch. In Bezug auf die Leistungsfähigkeit zeigen Simulationen, dass in der übernächsten Technologie-Generation (Gatelänge des Transistors: 22 Nanometern) mit Hilfe von CRS-Zellen Arrays der Größe 10exp8 Bit (100 Millionen) aufgebaut werden können. Im Vergleich dazu haben ähnliche Strukturen heutiger Rechner auf der untersten Ebene zwar ebenfalls Größe von 100.000.000 Bit, benötigen für jede Zelle jedoch einen Transistor, um das Übersprechen zu vermeiden.


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