Chamäleon-Chip könnte Computer extrem schnell machen

Winzig, vielseitig und rasend schnell: Aus dem Paul-Drude-Institut kommt ein Konzept für einen neuartigen Prozessor

Wissenschaftler des Berliner Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) stellen im heute erscheinenden Fachjournal Nature ein Konzept für einen neuartigen Computerchip vor. Das Bauteil kombiniert magnetische Speichereigenschaften mit der Fähigkeit, Rechenoperationen auszuführen – so, als ob die Festplatte zugleich Prozessor wäre. Die Autoren sprechen in ihrem Nature-Artikel auch von einem "Chamäleon-Prozessor".

Der große Vorteil des neuen Chips: Die in ihm gespeicherten Informationen bleiben auch dann erhalten, wenn der Strom abgestellt wird. In bisherigen Chips, die etwa als Arbeitsspeicher eingesetzt werden, gehen die Informationen durch das Abschalten des Computers verloren.

Die PDI-Forscher umgehen dieses Problem mit einem neuartigen Konzept für einen magnetischen Arbeitsspeicher (MRAM). Das Bauteil basiert auf zwei magnetischen Schichten, die durch eine hauchdünne Lage aus unmagnetischem Material getrennt sind. Beide Schichten können durch ein Magnetfeld einzeln gepolt werden, sodass daraus eine Art Schalter mit vier Grundeinstellungen entsteht: Beide Schichten sind gleich "links" gepolt, beide sind gleich "rechts" gepolt, beide sind ungleich gepolt ("oben links/unten rechts" oder "oben rechts/unten links").

Diese vier Möglichkeiten und die Tatsache, dass man sie gezielt einstellen kann, haben sich die Forscher des Paul-Drude-Instituts zu Nutze gemacht und einen Plan entworfen, mit ihrem Schichtbauteil die vier logischen Grundoperationen auszuführen ("UND", "ODER", "NICHT UND" sowie "NICHT ODER"). Hierfür müsste auch nicht - wie bisher - der Chip jeweils wieder auf einen festgelegten Grundzustand eingestellt werden.

Wenn das mittlerweile zum Patent angemeldete Konzept realisiert wird, bietet es eine Menge Vorteile. Durch die Fähigkeit, selbst Informationen zu speichern, entfällt ein Arbeitsschritt für den Chip, nämlich der Datenaustausch zwischen Arbeitsspeicher und Festplatte. Bislang frisst dieser Austausch wertvolle Ressourcen. Fällt er weg, würde sich die Rechengeschwindigkeit des Computers "dramatisch erhöhen", berichten die Autoren. Ein Rechner, ausgestattet mit dem neuen Chamäleon-Prozessor, könnte an die Leistungen eines heutigen Supercomputers heranreichen. Hinzu kommt, dass ohne den dauernd nötigen Datenaustausch auch weniger Strom fließen muss, weshalb auch weniger Wärme erzeugt wird. Gerade die Hitzeentwicklung in den immer kleiner werdenden Bauteilen stellt heute ein großes Problem dar. Ein weiterer Pluspunkt: Ein einziges MRAM-Element ist in der Lage, die vier Grundoperationen auszuführen und zu speichern. Bislang waren dafür stets mindestens zwei Bauteile nötig. Der Chamäleon-Prozessor würde also zu einer weiteren Miniaturisierung führen. Die Größe so einer MRAM-Zelle kann auf weniger als 100 Nanometer verkleinert werden. Zum Vergleich: Ein Haar ist rund 50.000 Nanometer dick.

Quelle: "Programmable computing with a single magentoresistive element" von A. Ney, C. Pampuch, R. Koch und K.H. Ploog in NATURE, Bd. 425, S. 485