Ersatz für Silizium 10.12.2020, 07:00 Uhr

Revolution für Computer – MIT-Forscher testen neues Material

Amerikanische Forscher haben vielleicht einen Weg gefunden, Rechner deutlich leistungsfähiger zu gestalten. Das neue Material ist zwar ein alter Bekannter, aber seine Eigenschaften waren nicht im Detail klar. Neue Erkenntnisse stellen es jetzt in den Fokus der Forschung.

Transistor

Foto: panthermedia.net/crstrbrt

Das chemische Element Silizium ist das wichtigste Material in der Computerindustrie. Nicht ohne Grund heißt die bekannteste Gegend für die Branche Silicon Valley. Jetzt steht aber ein neues Material in den Startlöchern: Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) glauben, dass die Legierung Indiumgalliumarsenid (InGaAs) ein so großes Potenzial berge, dass es Rechnerleistungen deutlich erhöhen könne.

Ohne Transistoren würde kein Computer funktionieren. Als winzige Schalter lassen sie elektrischen Strom fließen oder unterbinden ihn. Auf diese Weise ermöglichen sie komplexe Berechnungen. Dieses System ist seit vielen Jahren erprobt und immer weiter verbessert worden. Für die heutigen Ansprüche reichen die Leistungen, die ein Computer auf diese Weise schafft, jedoch nicht mehr aus. Für die Verarbeitung riesiger Datenmengen (Big Data) werden bereits Supercomputer eingesetzt, deren Kapazität unter Forschern sehr begehrt ist. Wünschenswert wäre eine deutlich höhere Rechnerleistung, sowohl für herkömmliche Computer als auch für die riesigen Rechenzentren. Neben der Arbeit an Quantencomputern, die mit viele Herausforderungen verbunden ist, arbeiten Elektroingenieure daran, bessere Transistoren zu entwickeln.

Quantencomputer: Ein Quäntchen Realität

Probleme zeigte das Material bisher in kleinem Maßstab

Das MIT-Team ist überzeugt, dass InGaAs eine interessante Alternative darstellen könnte, um Computer weiter zu verbessern und ihre Rechengeschwindigkeit zu erhöhen. Dass Elektronen die Legierung selbst bei niedriger Spannung durchfliegen können, ist bekannt. Entsprechend schnell können Transistoren aus diesem Material Signale verarbeiten und Prozesse beschleunigen. Außerdem ist die niedrige Spannung ein Faktor für mehr Energieeffizienz.

Trotzdem galt Indiumgalliumarsenid als ungeeignet, um Silizium zu ersetzen. Denn im kleinen Maßstab, also beispielsweise beim Bau dichter Computerprozessoren, schienen sich Elektronentransporteigenschaften der Legierung so stark zu verschlechtern, dass es den Vergleich mit Silizium nicht standhielt. Die MIT-Forscher glauben, für diese Veränderung den Schlüssel gefunden zu haben. Und sie stellen auch gleich eine Lösung vor, um dieses Problem zu beheben.

Grund für verringerte Leistung gefunden

Die Wissenschaftler haben festgestellt, dass die verringerte Leistung auf Oxideinschlüsse zurückzuführen ist. Vereinfacht gesagt, bleiben die Elektronen durch diese Einschlüsse regelrecht stecken, wenn sie durch den Transistor wandern. Das verringere die Menge an fließendem Strom und damit die Schaltfähigkeit. Dieses Wissen allein reicht aber natürlich nicht aus, um das Material attraktiver zu gestalten. Das MIT-Team hat daher verschiedene Versuche durchgeführt und eine Lösung gefunden. Der Stromfluss hängt nämlich von der Frequenz ab, also von der Rate, mit der elektrische Impulse durch den Transistor geschickt werden.

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Während die Leistung der InGaAs-Transistoren bei niedrigen Frequenzen verringert ist, steigt sie ab einer Frequenz von einem Gigahertz oder mehr deutlich an. „Wenn wir diese Bauteile bei wirklich hohen Frequenzen betreiben, ist die Leistung wirklich gut. Sie sind eine Konkurrenz zur Siliziumtechnologie“, sagt Xiaowei Cai, Hauptautorin der Studie.

Forscher schätzen Potenzial der Legierung als sehr hoch ein

Was folgt jetzt daraus? Für Cai steht die Erkenntnis im Vordergrund, dass die Oxideinschlüsse die Herausforderung sind, wenn man mit Indiumgalliumarsenid arbeitet. „Wir glauben, dass dies ein Problem ist, das gelöst werden kann.“ Sie hofft, dass diese Ergebnisse dazu führen werden, dass Forscher sich diesem Material wieder stärker zuwenden, um es für Computertransistoren einzusetzen. Sie sieht ein Potenzial nicht nur für herkömmliche Rechner, sondern auch im Bereich der Quantencomputer. Sie ist überzeugt: Indiumgalliumarsenid könne die Rechenleistung und Effizienz von Computern so weit steigern, dass weitaus mehr möglich wäre als mit Silizium.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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