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25.11.1983 - 

Entwicklung supraleitender Chips hinkt um zwei Jahre hinterher:

Alte Technologien überholen Josephson

Was Skeptiker all die Jahre immer wieder vorausgesagt hatten, trat vor wenigen Wochen in der Tat ein: IBM, seit 1976 mit der Erforschung "supraleitender" Josephson-Schaltkreise für noch schnellere Computer der Zukunft befaßt, legt diese Forschungen praktisch auf Eis (siehe auch CW Nr. 47/83, S. 1). Fünf Sechstel eines 115-Mann-Teams, das zuletzt mit einem Jahresetat von 20 Millionen Dollar arbeiten konnte, werden nun auf andere Forschungen angesetzt. Damit ist das Thema Josephson-Schaltkreise, zumindest für den Marktführer, vorerst einmal erledigt.

Erledigt ist es allerdings nicht allein dieser neuen IBM-Entscheidung wegen, die Hermann-Josef Winter von der Stuttgarter IBM-Pressestelle summarisch mit "großen praktischen Schwierigkeiten" begründet, die sich der technischen Realisierung der eiskalten Chips, in denen der Strom praktisch widerstandsfrei fließen sollte, entgegenstellten. Erledigt ist es fürs erste auch deshalb, weil die IBM-Entscheidung nahtlos in ein Bild paßt, das seit dem Frühjahr immer klarere Konturen angenommen hat. Denn, so zeigt ein Blick in den Rückspiegel, schon mit Beginn der warmen Jahreszeit sagten die Bell-Laboratories, also die Forschungsabteilung des gewichtigen IBM-Konkurrenten AT+T, den frostigen Chips Ade und reduzierten ihre einschlägige Forschungsmannschaft von rund einem Dutzend auf zwei bis drei Mann.

Auch die Sperry Corporation, so berichtet das angesehene US-Wissenschaftsblatt "Science", schloß ihr Josephson-Forschungszentrum in Sudbury, Massachusetts per Ende September. Was dazu führte, daß ein zehnköpfiges Team von dort jetzt auf eigene Faust weiterforschen will.

Schneller ohne Wärme

Was hat IBM nun bewogen allein im Forschungszentrum in Yorktown Heights, US-Bundesstaat New York, etwa die Hälfte der gesamten US-Josephson-Forschung voranzutreiben?

Welche Vorteile erhofften die Entwickler innovativer Computer sich von diesen Chips?

Die Erklärung liegt darin, daß auch die heutigen Rechner für viele vorstellbare Aufgaben einfach noch nicht schnell genug sind: Man denke nur an Simulationen oder an Anwendungen auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz, die in den kommenden Jahren mehr und mehr ins Zentrum der Entwicklung rücken dürften; von militärischen Anwendungsmöglichkeiten schneller Rechner ganz zu schweigen.

Die elektrischen Impulse in einer Computer bewegen sich nicht unendlich schnell von Schalter zu Schalter, sondern benötigen für ihren Weg eine endliche Zeit, da sie sich lediglich mit etwa einem Vierte der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Selbst wenn die Schaltkreise eines Rechners unendlich schnell, also mit null Sekunden Verzögerung, umschalten könnten, bliebe immer noch das leidige Problem der Zeitverluste zu meistern, die beim Weiterleiten der Signale entstehen. Ein Problem, daß sich nur dadurch reduzieren ließe, daß man alle aktiven Elemente eines Rechners auf denkbar kleinstem Raum zusammenpfercht.

Drängt man aber die arithmethisch-logische Einheit, das Steuerwerk, den Mikroprogrammspeicher und den Cache-Speicher auf extrem kleinen Chip-Flächen zusammen, so spart man zwar Zeit, handelt sich aber thermische Probleme ein: Denn bei Raumtemperatur betriebene Chips, und da ganz besonders die heute noch in Großrechnern üblichen sogenannten "bipolaren" Chips, produzieren reichlich Wärme. So viel, daß in manchen heutigen Rechnern mit einer aufwendigen Wasserspülung für deren Abfuhr gesorgt werden muß. Und das, obwohl selbst in ihnen die kritischen Signalpfade von Chip zu Chip immer noch unerträglich lang sind.

Hier sollte nun also die Josephson-Technik Abhilfe schaffen, hofften die Wissenschaftler des IBM-Forschungslabors in Yorktown Heights (und mit ihnen natürlich auch die Kollegen von Bell, Sperry und wo auch immer an diesen Schaltkreisen gearbeitet wurde und wird). Denn Josephson-Schaltkreise arbeiten "supraleitend": Sie werden auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt (rund 4 K = -269°C) setzen dann dem elektrischen Strom keinen Widerstand mehr entgegen und erzeugen auch keine störende, schwer abführbare Wärme mehr. Und auch der Schaltvorgang selber geht bei ihnen außerordentlich schnell vonstatten. Das aber bedeutet, man könnte in der Theorie einen äußerst schnellen Computer bauen denn alle Schaltelemente ließen sich ja dann in einem winzigen Würfel zusammendrängen und mithin wären die Signallaufzeiten von einem Schalter zum nächsten ganz erheblich reduzierbar.

Probleme der Praxis

Soweit die Theorie von der schönen neuen Josephson-Welt. Die Wirklichkeit jedoch zeigte sich ein wenig widerspenstiger als das Papier, auf dem alle diese Träume ausgeheckt wurden, und die beispielsweise einen Computer mit nur noch 1 Nanosekunde Zykluszeit bescheren sollten. Zum Vergleich: Eine auch nicht eben müde Cray 1 arbeitet fast zehnmal langsamer.

In der Wirklichkeit waren die Schwierigkeiten, die bestechenden neuen Konzepte in reale, in großen Serien wirtschaftlich und zuverlässig zu fertigende Schaltkreise zu überführen, eben doch größer, als selbst manche Pessimisten erwartet haben mögen. In dieser Wirklichkeit gab es natürlich außerdem eine ganze Reihe von Forschungs- und Entwicklungsteams, die intensiv an der Weiterentwicklung der herkömmlichen Silizium-Chip-Technik sowie an innovativen, schnellen Galliumarsenid-Chips arbeiteten und immer neue Erfolge.

Es kam dann letztlich so, wie beispielsweise auch Prof. Dr. Otto G. Folberth, bei IBM-Deutschland als Leiter der Komponententechnologie tätig, immer wieder vorhergesagt hatte: Die "alten" Technologien entwickelten sich so rasant, daß der theoretische Vorsprung der komplizierten, innovativen Supraleiter-Technik mehr und mehr schrumpften.

Zuletzt, so kann man aus IBM-Quellen erfahren, soll das aufwendige Josephson-Projekt bei der Entwicklung eines Speicherchips glatt zwei Jahre hinter den Plänen nachgehinkt sein. Damit schwand für das Unternehmen - so jedenfalls die offizielle Lesart - einfach jede Hoffnung, ein entsprechender Computer würde dann, wenn er endlich auf

dem Markt erscheinen könntet überhaupt noch signifikante Vorzüge gegenüber Rechnern auf der Basis der herkömmlichen Entwicklungen auf weisen.

Enges Zeitfenster verfehlt?

Kein Wunder, daß IBM angesichts dieser Perspektiven beschloß, die Ressourcen an Geist und Material besser einzusetzen: also für die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitstechnologien konventioneller Machart wie etwa Hochleistungs-Feldeffekt-Transistoren und Galliumarsenid-Schaltkreise.

Wie inzwischen aus den USA bekannt wurde, hatten die IBM-Wissenschaftler vor allem Probleme, Speicher mit 20000 und mehr Einzel-Josephson-Kontakten so herzustellen, daß jeder einzelne davon zuverlässig arbeitete.

Ein Chip-Neuentwurf in der Form, daß minimale Toleranzüberschreitungen den Speicher in seiner Funktion nicht beeinträchtigen, würde beim aktuellen Stand der Dinge etwa zwei Jahre dauern, bemerkt dazu Joseph Logue, seit etwa zwei Jahren Chef des Josephson-Projekts und Vater einer experimentellen Josephson-Chip-Produktionslinie im IBM-Werk East Fishkill nahe New York. Das wiederum würde aber bedeuten, ein kleiner Prototyp eines Josephson-Computers könnte nicht, wie angepeilt, 1986, sondern wohl erst 1988 zusammengebaut werden - zu spät, angesichts der drängenden Silizium-Konkurrenzentwicklung.

Industriebeobachter bringen IBMs neue Entscheidung daher gern auf den simplen Nenner, das Unternehmen habe hier einfach versucht, mit einem ambitiösen Projekt zu reüssieren - doch habe es dabei eben leider das enge "Zeitfenster" verfehlt, in dem Josephson-Technologien für IBM-Computer hätten sinnvoll erscheinen können.

Woraus nebenbei aber auch folgt, daß wegen IBMs "Wende" nicht gleich für alle Zeiten eine Abkehr von den supraleitenden, schnellen Schaltkreisen angesagt sein muß: Nicht zuletzt in Japan, im Musashino-Labor der japanischen Telephon- und Telegraphengesellschaft, wurde nämlich inzwischen auch schon ein Josephson-Speicherchip entwickelt, der zwar langsamer und weniger dicht gepackt als die Laborprodukte von IBM ist, dafür aber funktionieren soll und vielleicht noch Entwicklungspotential aufweist.

Im übrigen sind Josephson-Kontakte mit denen sich übrigens in Japan gleich zwei Projekte befassen, ja auch gar nicht der einzige Weg, Schaltelemente mit Supraleitern aufzubauen; IBM selber arbeitet inzwischen an alternativ zu sehenden Konzepten, die in ihrer Arbeitsweise mehr herkömmlichen Transistoren gleichkommen, etwa an einem sogenannten "Quiteron". Und auch wenn das Josephson-Team jetzt auf ein Sechstel seiner bisherigen Starke reduziert worden sein mag - die faszinierende Idee eines Rechners mit praktisch keinerlei thermischen Problemen und mit dafür um so kürzeren Signalwegen dürfte die Geister der Wissenschaft sicher auch weiterhin bewegen.

Es mag um supraleitende Computer jetzt ein bißchen stiller werden. Doch tot ist diese Idee noch lange nicht.

Josephson-Junctions

Josephson-Schaltkreise, deren weitere Erforschung IBM jetzt drastisch eingeschränkt hat, basieren auf einzelnen Schaltelementen (Josephson-Junctions, JJ). die ihrerseits wieder den sogenannten "Josephson-Effekt" ausnützen. Dieser Effekt ist 1982 zuerst vom amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger Brian D. Josephson vorhergesagt worden.

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