Clevere Chips denken mit

[KA111]

Der clevere Chip denkt mit

Mikroprozessoren, die sich selbständig auf unterschiedliche Anwendungsgebiete einstellen, gehören zum Traum der Computerbauer. Bislang haben sich die Chips als äußerst vergesslich erwiesen, doch Hoffnung ist in Sicht.


REUTERS

Vergänglich: Arbeitsspeicher moderner Computer


Selbst löten können die Mikrochips der nächsten Generation zwar nicht, auf feste Schaltkreise sind sie allerdings nicht mehr angewiesen. Sollte die gegenwärtige Entwicklung anhalten, könnten in Rechnern demnächst Prozessoren arbeiten, die ihren internen Aufbau abhängig von den an sie gestellten Aufgaben ändern.
Denn die gegenwärtigen Chipgenerationen reichen zwar für den Hausgebrauch völlig aus, richtig effizient arbeiten sie dennoch nicht. Computerspiele stellen an das Herz des Computers andere Anforderungen als Textverarbeitungen. Und wer viel im Internet surft, beansprucht wieder andere Bereiche der Prozessorleistung. Die Chips dagegen können immer nur einen Kompromiss bieten, schließlich werden sie bereits in der Fabrik verdrahtet. Unumkehrbar.





Programmierbare Chips (so genannte Field Programmable Gate Arrays, kurz: FPGA) dagegen übertragen das Prinzip des Gesamtcomputers als flexible Maschine auf die Basis der Mikroprozessoren. Wie "Nature Science Update" berichtet, besteht ein FPGA in der Regel aus einer großen Anzahl logischer Bauteile, die den Transistoren eines herkömmlichen Chips ähneln. Allerdings können die einzelne Elemente auf dem Gitter mit Hilfe des Stroms neu ausgerichtet werden: Die Elektronen suchen neue Wege, die Eigenschaften des Prozessors ändern sich.



Unflexibel: Mikroprozessor der aktuellen Generation


Die derzeit entwickelten FPGA haben allerdings einen entscheidenden Nachteil. Ähnlich wie der Arbeitsspeicher eines Computers vergessen auch die modernen Prozessoren beim Ausschalten des Rechners ihre Konfiguration. Wird der Computer in Betrieb genommen, stehen die Dioden und Transistoren wieder bei Null.

Doch das muss womöglich nicht so sein. Wie ein Forscherteam um Berend Jonker vom Naval Research Laboratory in Washington in der Fachzeitschrift "Applied Physics Letters" schreibt, könnte ein spezieller Magnetowiderstandseffekt dem Gedächtnis der FPGA auf die Sprünge helfen.

So genannte GMR-Elemente (kurz für: Giant Magnetoresistive) setzen sich aus mindestens zwei dünnen Filmen magnetischer Materialien zusammen. Wird ein magnetisches Feld angelegt, richten sich die GMRs entsprechend aus. Der Widerstand, der sich dem elektrischen Strom entgegenstellt, ändert sich schlagartig. Mehr noch: Auch wenn das Magnetfeld ausgeschaltet wird, behalten die Bauteile ihren Widerstand bei.

Nach Angaben von "Nature Science Update" ist es Jonker und Kollegen gelungen, mit Hilfe mehrerer, extrem dünner Schichten aus Kobalt und Kupfer logische Elemente mit eigenem Gedächtnis herzustellen. Die Kombination dieser Bauteile könnte, das haben die Wissenschaftler im Rahmen ihrer Studie gezeigt, zu dem führen, was Computerbauer seit langem suchen: standhafte FPGA-Bauteile.

www.spiegel.de

[KA111]

B I O N I K

Neuer Chip entwickelt

Amerikanische Forscher haben eine menschliche Zelle in einen elektronischen Schaltkreis integriert. Durch diese Erfindung könnte krankes oder abgestorbenes Gewebe ersetzt werden.


UC Berkeley

Der in Berkeley entwickelte bionische Chip


San Francisco - In dem Silizium-Chip befindet sich die Zelle in einem winzigen Loch in der Mitte des Schaltkreises. Ein Computer kontrolliert die Aktivitäten der Zelle. Der Rechner sendet elektrische Impulse, der die Membranporen der Zelle öffnet. "Damit wird die Zelle Teil des elektronischen Schaltkreises", heißt es in einem Artikel des Journals "Biomedical Microdevices".
Der entwickelte Chip nutzt die Tatsache, dass Zellmembranen durchlässig werden, wenn sie einer bestimmten elektrischen Spannung ausgesetzt sind. Bis jetzt war es den Wissenschaftlern jedoch noch nicht gelungen, das Ausmaß der benötigten elektrischen Spannung zu bestimmen, um die Poren in einer Zellmembran kontrolliert zu öffnen. "Experimente, in denen durch Elektrizität eine Membran stimuliert werden sollte, glichen bisher Hammerschlägen auf die Zelle, nur in der Hoffnung auf eine Reaktion", erklärt Boris Rubinsky, Leiter des Projekts am Institute for Mechanical Engineering an der University of California in Berkeley.

Die Erfindung könnte sich vor allem in der Gentherapie als nützlich erweisen. "Wir können DNA transportieren, Proteine extrahieren und medikamentöse Stoffe innerhalb der Zelle verteilen", schreibt Rubinsky. Bisherige Versuche, neue Gene in eine Zelle zu verpflanzen, scheiterten oft daran, dass diese nicht von der Zelle absorbiert wurden.

Spiegel.de

[KA111]

Der schnellste Transistor der Welt

Intel hat die Miniaturisierung weiter vorangetrieben und den Prototyp eines großtechnisch hergestellten 20-Nanometer-Transistor vorgestellt. So wie geplant funktioniert der Winzling allerdings noch nicht.

Es ist eine einfache Prognose fern jedes wissenschaftlichen Fundaments. Und dennoch trifft das Mooresche Gesetz, bereits 1965 von Intel-Mitgründer Gordon Moore aufgestellt, verblüffend gut zu. Demnach verdoppelt sich die Dichte von Transistoren auf Halbleiterchips im Zuge des technologischen Fortschritts etwa alle 18 Monate.

Geschrumpft: Intel-Transistor mit 20 Nanometern Durchmesser


Damit dem auch in Zukunft so ist, basteln Chip-Hersteller wie Intel eifrig an noch kleineren Transistoren. Das Unternehmen aus dem kalifornischen Santa Clara hat nun einen weiteren Schritt in diese Richtung gemacht und offiziell einen lediglich 20 Nanometer (Milliardstel Meter) großen Transistor aus Anlagen zur Massenproduktion präsentiert.

Mit Hilfe der winzigen Strukturen hofft Intel, zukünftig Mikroprozessoren mit mehr als einer Milliarde Transistoren herstellen zu können. Die Transistoren wirken dabei als kleine Schalter, die abhängig von einer angelegten Spannung Strom fließen lassen können oder sich gegen den Stromfluss sperren.

Bis zu einer Billion Schaltvorgänge pro Sekunde sollten künftig möglich sein, hofft Intel - eine kaum vorstellbare Geschwindgeit. Während eines Wimpernschlags könnten die neuen Mikroprozessoren, wie die Chipbauer vorrechnen, rund eine Milliarde Berechnungen ausführen.





In Zahlen der gegenwärtigen Prozessor-PR ausgedrückt würde das einer Taktgeschwindigkeit von 20 Gigahertz entsprechen - bei einer benötigten Spannung von weniger als einem Volt. Bis die neuen Prozessoren in Massen gefertigt werden können, werden allerdings noch einige Jahre vergehen. Intel hat den Verkaufsstart für 2007 anvisiert.

Wie das US-Wissenschaftsmagazin "Science" in seiner Online-Ausgabe berichtet, bedient sich Intel bei Experimenten mit dem 20-Nanometer-Transistor einer Technik, die bereits in der aktuellen Chipproduktion zum Einsatz kommt. Bei der so genannten Photolithographie wird eine mit Kunststoff beschichtete Siliziumscheibe mit ultraviolettem Licht belichtet. Chemikalien entfernen schließlich die belichteten oder nicht-belichteten Plastikstellen einschließlich einer dünnen Siliziumschicht darunter.


Übrig bleiben derzeit Strukturen mit einem Durchmesser von 125 Nanometern. Um diese Größe weiter zu verringern, haben sich die Entwickler um Robert Chau, wie sie sagen, in die Trickkiste gegriffen. Dies führten letztlich zu Schaltern, die nicht größer als 20 Nanometer waren. "Noch immer gibt es offensichtlich keine fundamentale Grenze bei der Miniaturisierung von Silizium-Transistoren", jubelt Chau.

Ganz perfekt ist die alte, neue Technik aber offensichtlich noch nicht. Wie "Science Now" berichtet, hält der neue Transistor nicht ganz dicht - selbst wenn er eigentlich ausgeschaltet sein sollte. Die Folge sind kleine Ströme, die sich schnell addieren und zu einer Überhitzung des Chips führen können - das heiße Ende einen kleinen Schalters.

www.spiegel.de

[KA111]

US-Forscher basteln den kleinsten Roboter der Welt

Fußballspielende Ungetüme? Zu groß. Intelligente Nanosonden? Sieht ja eh keiner. Nein, die Zukunft liegt im Matchbox-Bereich: US-Forscher wollen den "vielleicht kleinsten Mini-Roboter der Welt" gebaut haben.



Erst ist rund vier Kubikzentimeter groß, knapp 25 Gramm schwer und nicht viel größer als ein Daumennagel: Tüftler der Sandia National Laboratories im US-Bundesstaat New Mexico haben jetzt einen drahtlosen Roboter vorgestellt, der - so die Eigenwerbung - problemlos auf einem Zehn-Cent-Stück wenden kann.





Versorgt von drei Batterien, bewegt sich der Kleine mit Hilfe zweier Elektromotoren voran. Dabei können ihm, wie ein Video der Sandia-Entwickler beweist, selbst Hindernisse wie liegende Geldstücke nichts anhaben. Im digitalen Gehirn des Mini-Roboters arbeit ein acht Kilobyte starker Prozessor. Kontakt zur Außenwelt nimmt die Technik-Miniatur unter anderem mittels eines Temperaturfühlers auf.

Ed Heller vom Sandia-Labor ist überzeugt, einen möglichen "Roboter der Zukunft" zusammengelötet zu haben. Eines Tages, so sein Traum, könnte der Winzling Aufgaben bewältigen, für die heute noch ausgewachsene Kollegen notwendig sind. So soll er möglicherweise in Zukunft Minen entschärfen oder gefährliche Chemikalien erschnüffeln. Auch als mobile Bewegungsmelder, der Begriff "Wachhund" wäre vielleicht etwas zu hoch gegriffen, könnten die Miniroboter zum Einsatz kommen - einzeln, vielleicht aber auch in großen, miteinander kommunizierenden Schwärmen.

Die Neuentwicklung baut, so die Sandia-Mitarbeiter, auf einem Roboter aus dem Jahr 1996 auf, der allerdings noch viermal so groß war. Eine kompaktere Elektronik und neuartige Räder ließen das Gefährt allerdings weiter schrumpfen. Vergleichbar mit einem Panzer verfügt der Roboter nun über einen kettenartigen Antrieb, der "sogar auf Teppichboden" ein Vorankommen ermöglicht.

Nach Auskunft der Sandia National Laboratories, die im Auftrag des US-Energieministeriums forschen, stellt die Stromversorgung derzeit das größte Problem in Richtung Miniaturisierung dar: Die drei Batterien, die auch in Armbanduhren Verwendung finden könnten, brauchten nun mal ihren Platz, meint Heller.

Das hindert die Roboterforscher allerdings nicht, schon an zukünftige Verbesserungen zu denken. In den nächsten fünf Jahren könnte, so Heller, der Kleine mittels Infrarot- oder Funkkommunikation Kontakt zu Kollegen oder einer Basisstation aufnehmen. Auch ist daran gedacht, die Mini-Roboter mit Videokameras und Mikrofonen auszurüsten - Big Brother im Kleinformat.



Spiegel.de