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Der Ausblich auf die Computer-Zukunft macht frösteln...


23.04.1976 - 

Kommt der supraleitende Tieftemperatur-Rechner?

Während heute alle Welt bereits mit unlängst noch exotisch anmutenden Kürzeln wie Bipolartechnik oder Integrated Injection Logic (I²L) operiert, arbeiten die Forschungslabors der Computerherstellers bereits an der nächsten technischen Revolution. Sie wird eine neue Generation von Rechnern bringen, die, in Kältekammern eingesperrt, schneller und kompakter sein werden als alles bislang Dagewesene.

Schlüsselbegriffe dieser neuen Technologie sind "Superleitung" und "Josephson-Kontakt". Was hat es damit auf sich? - Supraleitung liegt vor, wenn ein Leiter bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, als knapp über minus 273 Grad Celsius, dem elektrischen Strom keinen Widerstand mehr entgegensetzt. Das wichtige für den Computerkonstrukteur ist dabei, daß im Supraleiter auch keine Wärme mehr erzeugt wird und mithin auch dann keine Kühlungsprobleme mehr auftreten, wenn man die einzelnen supraleitenden Schaltelemente eines Speichers weitaus kompakter anordnet als bisher. Da bei der Schaltgeschwindigkeit moderner Mikro-Bauelemente das Rechentempo aber entscheidend von den - vergleichsweise langen - Stromwegen zwischen den Einzelelementen anhängt, ist die Verkürzung dieser toten Wege die wesentliche Voraussetzung noch schnellerer Rechner.

Grenzen der Normaltemperatur-Technik

Im Wissenschaftsblatt "New Scienist" rechnet Prof. Guy Deutscher von der Universität Tel Aviv vor, daß aus diesen Gründen ein schneller Halbleiter-Speicher 10 cm Seitenlänge nicht überschreiten sollte. In diesen kleinen Block 100 Millionen Bit und mehr zu packen, ist bei konventioneller Technik eben aus Wärmegründen kaum möglich. Der Ausweg heißt supraleitender Josephson-Kontakt.

Grob skizziert, handelt es sich dabei um ein supraleitendes Halbleiter-"Sandwich" mit einer dünnen Oxid-Zwischenschicht, die bei Anlegen eines kleinen Magnetfeldes den Stromfluß unterbricht. Er ist mit einem Millionstel Watt Leistungsaufnahme nicht nur sehr genügsam, sondern mit maximal 100 Billionstel Sekunden (100 Pico Seko.) Schaltzeit auch ungewöhnlich schnell.

Warum aber gibt es dann noch keine "Josephson-Computer"? Bisher verhinderten produktions-technische Schwierigkeiten die Serienfertigung der neuen Schalter. Das ist kein Wunder, denn die Oxid-Zwischenschicht der Josephson-Kontakte darf, da die Stromstärke ja eine exponentielle Funktion der Schichtdicke ist, nur etwa 10 bis 20 Atomdurchmesser dick sein und vom konstruktiv festgelegten Sollwert höchstens um Bruchteile eines Atomdurchmessers abweichen. Auch wird von dieser fragilen Konfiguration noch höchste Temperaturstabilität verlangt.

Nun haben rastlos knobelnde Forschergehirne jedoch eine Alternativlösung zum nicht produzierbaren Sandwich ersonnen - die Sanduhr-Konfiguration. Dabei liegen die beiden Pole des Kontakts in einer Ebene statt übereinander. Nur ein dünner Steg, ähnlich dem Hals einer Sanduhr im Querschnitt, verbindet sie. Auch jetzt kann man den Stromfluß, also quasi das Rieseln des Sandes, durch Anlegen eines schwachen Magnetfeldes unterbrechen. Dazu genügt es aber, die Engstelle nicht dünner als je 1000 Atomdurchmesser (1000 Angström) in Dicke und Breite zu halten. Das ist produktionstechnisch schon viel eher erreichbar, wie erst kürzlich spektakuläre Demonstrationen im IBM-Forschungslabor Rüschlükon bei Zürich aller Welt zeigten: IBM kommt mit Röntgen- und Elektronenstrahl-Ätzverfahren der geforderten Miniaturisierung schon sehr nahe.

Besser mit Granulaten

Da aber heute eine einzige "Josephson-Sanduhr", in Elektronenstrahl-Ätztechnik hergestellt, immer noch rund 1000 Dollar kostet, suchte Prof. Deutscher nach Materialien, die keine derart winzigen Meßtoleranzen verlangen. Er fand sie in Aluminium/Aluminiumoxid- und Zinn/Zinnoxid-Granulaten, bei denen jeweils das Metall, wie die Rosinen im Gugelhupf, körnchenförmig in das Metaloxid eingebettet sind.

Auch diese Granulate erwiesen sich als Supraleiter, doch bei ihnen liegt die "kritische Stromdichte" - das ist der Maximalstrom, bei dessen Überschreiten die Supraleitfähigkeit verlorengeht - rund hundertmal höher als beim entsprechenden Reinmetall. Somit kann man den Hals der "Sanduhr" bei gleichbleibender Schichtdicke hundertmal breiter machen - er darf nun rund ein hunderstel Millimeter messen, und das ist für die herkömmliche Photoätz-Technik kein Problem mehr.

Damit ergibt sich also folgender Ausblick auf die nächste Computer-Generation: Speicher- und Schalelemente werden in Kältekammern verpackt und arbeiten im Tiefst-Temperaturbereich mit äußerst geringer Energieaufnahme praktisch ohne Wärmeprobleme. Damit können sie dichter aufeinandergepackt werden als die heutigen Schaltkreise und da sie außerdem mit dem für Josephson-Elemente typischen, hohen Tempo arbeiten, wird die Leistungsfähigkeit der Rechner entsprechend zunehmen. Bei IBM jedenfalls visiert man bereits eine Speicher-Verdichtung um den Faktor 100 an, wie bei Pressedemonstrationen der neuesten Röntgenstrahlen-Tricks zu hören war.

*Egon Schmidt ist freier Wissenschaftsjournalist.