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TU Berlin

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Forschung

Heiliger Gral des Computerzeitalters

Donnerstag, 18. Februar 2016

Nanophysiker erzielen Durchbruch bei Chip-Speicherzeiten

Dieter Bimberg im Reinstraum des Zentrums für Nanophotonik
Lupe

Die physikalisch mögliche Grenze ist nahezu erreicht. Schon seit Jahren sind die charakteristischen Dimensionen eines einzelnen Speicherelementes im Nanometerbereich angelangt. Die Oxidschicht eines konstituierenden Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) ist heute unter zehn Nanometer dick. IBM stellte Ende 2015 einen Chip vor, dessen Leiterbahnquerschnitt nur noch eine Handvoll Atome umfasst. Toshiba rief zur gleichen Zeit das Ende der weiteren Verkleinerung einer der wichtigsten Chipklassen aus, und dies trotz Milliardeninvestitionen in neue Technologien. Doch Prof. Dr. Dieter Bimberg, der sich mit der Weiterentwicklung derartiger Speicher an der TU Berlin beschäftigte, ist der Meinung, dass selbst nach dem Erreichen der letzten Limits des Moore’schen Gesetzes etwa 2020 die Speicherentwicklung weitergehen wird, jedoch auf neuem Denken basierend. Mit seiner Arbeitsgruppe am Institut für Festkörperphysik hat er kurz vor Weihnachten einen gewaltigen Durchbruch erzielt: „Mit neuen Materialien wird es völlig neuartige Funktionalitäten geben.“

Dieter Bimbergs Arbeitsgruppe hat in den vergangenen Jahren ein revolutionäres Konzept entwickelt, das die besten Eigenschaften der beiden bekannten Speicherfamilien zusammenführt: derjenigen der Flash-Speicher und -Memories, unter anderem für Mobiltelefone und Videos, die ohne Energiezufuhr von außen viele Gigabyte über weit mehr als zehn Jahre speichern können, deren Zugriffszeiten allerdings sehr lang sind. Und derjenigen, die als Arbeitsspeicher in Rechnern, als Dynamische Random Access Memories (DRAMs), bekannt sind. Diese sind zwar extrem schnell – die Zugriffszeiten liegen im Nanosekundenbereich und sie sind quasi unverwüstlich –, bei ihnen müssen aber die Informationen mit hohem Energieaufwand ständig aufgefrischt werden, denn sie verlieren sie nach wenigen Millisekunden.

Das vor einigen Jahren von der TU Berlin patentierte Konzept fand schon bei seiner Veröffentlichung große Aufmerksamkeit, obgleich die Realisation noch ausstand. Der New Scientist bezeichnete es 2008 als den „Holy Grale of Computing“. Durch seine Umsetzung – mittels Nutzung von Halbleiterquantenpunkten als Speicher von Information mit nur ganz wenigen Ladungsträgern – ermöglicht es eine Revolution der Rechnerarchitekturen. Diese könnten in sehr vereinfachter Form gebaut werden, da Informationen nicht mehr zwischen den Speicherarten hin und her geschickt werden müssen. Zukünftige Großrechnergenerationen wie der Exafloprechner würden enorme Mengen elektrische Eingangsleistung sparen.

Die große wissenschaftliche Herausforderung lag bei diesen sich ein Jahrzehnt hinziehenden Arbeiten auf dem Gebiet neuer Nanomaterialien. Daran forschten die TU-Wissenschaftler in den letzten Jahren im Verbund mit Kollegen an der Humboldt-Universität sowie am CNRS Lille in Frankreich. Die zu Beginn demonstrierten Speicherzeiten lagen im Nanosekundenbereich, ähnlich wie bei DRAMs. Doch dann wurden Millisekunden und schließlich Sekunden daraus. 2015 konnten sie in der Zeitschrift „Applied Physics Letter“ schließlich von einer Speicherzeit von 230 Sekunden für einzelne Informationsbits berichten  – ein Rekord für derartige quantenpunktbasierte Nanoflash-Strukturen. Nach mehreren vergeblichen Anläufen gelang es nun der Arbeitsgruppe in Lille im Herbst weltweit erstmals, GaSb-basierte Quantenpunkte (Galliumantimonid) in GaP (Galliumphosphid) einzubetten. Diese wurden in den Reinsträumen des Instituts für Festkörperphysik der TU Berlin zu Speichern prozessiert und vemessen, und pünktlich zu Weihnachten erreichte das internationale Team einen riesigen Durchbruch. „Die Speicherzeiten waren drei Zehnerpotenzen länger als alles, was jemals beobachtet worden war“, so Dieter Bimberg. „Sie liegen nunmehr bei vier Tagen und sind damit nur noch drei Zehnerpotenzen von der Speicherzeit der Flashs entfernt, jedoch so schnell wie DRAMs.“ Bis zu einer Speicherzeit von zehn Jahren ist es nur noch ein kurzer Weg, verglichen mit dem zurückgelegten. Dieter Bimberg, der zum 1. Januar 2016 von seinen Lehrverpflichtungen an der TU Berlin entbunden wurde und auf einen Nachfolger wartet, ist optimistisch: „Die letzte Hürde ist mit den jetzigen Ansätzen überwindbar. Wir hoffen, das Ziel noch während der Dissertationszeit meiner Mitarbeiter, unterstützt durch die Mittel des VIP-Programms des BMBF, der DFG und meiner Fakultät, zu erreichen.“

tui "TU intern" Februar 2016

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