Höhere Taktraten durch neuen physikalischen Effekt?

Deutsche und amerikanische Physiker sind möglicher Weise einem neuen physikalischen Effekt auf der Spur, der den Spielraum zur Erhöhung der Taktraten von Computerchips wieder erhöhen könnte, nachdem im letzten Jahrzehnt Leistungssteigerungen vor allem durch Multi-Core-Architekturen mit relativ ähnlichen Taktraten erzielt wurden.

Physik-Professor Raymond Ashoori, Postdoc Lu Li und Pappalardo vom Massachusetts Institute of Technology sowie Christoph Richter, Stefan Paetel, Thilo Kopp und Jochen Mannhart von der Universität Augsburg berichten in der aktuellen Science-Ausgabe von ihrer Entdeckung, die Transistoren mit einer deutlich verbesserten elektrischen Kapazität ermöglichen könnte.

In heutigen Computerchips werden die Transistoren aus Halbleitern wie Silizium gefertigt. Legt man an das Gate eines Transistors eine Spannung an, sammeln sich darunter Elektronen, die einen leitenden Kanal bilden, durch den ein Strom fließen kann. Die elektrische Kapazität gib an, wie viel Ladung sich bei einer bestimmten Spannung unterhalb des Gates ansammelt. Die Leistung, die ein Chip aufnimmt und die Wärme die er abgibt, sind andererseits ungefähr proportional zum Quadrat der Betriebsspannung des Gates. Eine geringere Betriebsspannung ist daher für die Leistungsaufnahme von enormem Vorteil und bietet Spielraum für Taktsteigerungen oder auch noch komplexere Schaltkreise.

Auf den Effekt stießen die Forscher bei der Untersuchung von Lanthan-Aluminat, das auf Strontium-Titanat gewachsen ist. Das Lanthan-Aluminat besteht aus sich abwechselnden Schichten von Lanthanoxid und Aluminiumoxid. Erstere haben eine leicht positive Ladung, während letztere eine leicht negative Ladung aufweisen. Daraus resultiert eine Reihe elektrischer Felder, die alle in die gleiche Richtung weisen und ein elektrisches Potenzial zwischen der Ober- und Unterseite des Materials erzeugen.

Für gewöhnlich sind sowohl Lanthan-Aluminat als auch Strontium-Titanat hervorragende Isolatoren. Es gab jedoch Vermutungen, dass das elektrische Potenzial des Lanthan-Aluminats sich ab einer bestimmten Materialdicke soweit erhöhen würde, dass sich Elektronen von der Oberseite des Materials zur Unterseite bewegen damit es nicht zu einer sogenannten „Polarisationskatastrophe“ kommt. Dadurch bildet sich an der Verbindungsstelle zum Strontium-Titanat einer leitender Kanal. Dieser ist jenem leitenden Kanal sehr ähnlich, der sich beim Einschalten eines Transistors bildet, weshalb die Physiker sich entschieden die elektrische Kapazität zwischen diesem Kanal und einer Gate-Elektrode auf dem Lanthan-Aluminat zu messen.

Obwohl ihre Ergebnisse durch den experimentellen Aufbau begrenzt waren, vermuten sie dass bereits eine winzige Spannungsänderung genügt um eine große Ladungsmenge in den Kanal zwischen den beiden Materialien zu bewegen. Ashoori vergleicht den Kanal mit einem Vakuum, der statt Luft Ladung ansaugt. Besonders erstaunt waren die Forscher, dass dies bei Raumtemperatur funktionierte. Die elektrische Kapazität erwies sich als so hoch, dass Ashoori und seine Kollegen der Meinung sind dass man sie mit den existierenden Modellen der Physik nicht erklären kann.

Man habe dies bereits bei Halbleitern beobachtet. Dabei habe es sich aber um eine sehr reine Materialprobe gehandelt und der Effekt sei nur sehr schwach gewesen. Im Gegensatz dazu war die nun benutzte Materialprobe sehr unrein, der Effekt jedoch sehr groß. Eine Erklärung dafür haben sie bisher noch nicht, vermuten aber zum Beispiel einen neuen quantenmechanischen Effekt oder unbekannte physikalische Eigenschaften des Materials. Auch die etablierte Formel, die in Lehre und Industrie zur Berechnung der elektrischen Kapazität genutzt wird, müsste zur Beschreibung des Lanthan-Aluminat/Strontium-Titanat-Systems erst modifiziert werden.

Ungünstig ist allerdings, dass zwar eine geringe Spannungsänderung zum Bewegen einer relativ großen Ladung ausreicht, die Bewegung aber nur langsam abläuft. Für die hohen Frequenzen in Computerchips wäre dies viel zu langsam. Die Forscher hoffen nun, dass sich der elektrische Widerstand durch einen höheren Reinheitsgrad senken lässt. Für die Computerindustrie wäre dies allerdings noch keine große Hilfe, da die heutigen Computerchips aus anderen Materialien bestehen. Andererseits wäre aber auch eine für den praktischen Einsatz interessantere Übertragung des Effekts auf gängigere Materialen denkbar, sobald man die Vorgänge erst einmal verstanden hat. So oder so dürften bis zu einem möglichen praktischen Einsatz noch Jahre vergehen, in denen andere Technologien wie die Spintronik sich als sinnvoller erweisen könnten.