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29.02.1980 - 

IBM arbeitet an supraleitenden Schaltkreisen:

Über Nanobrücken in frostige Zukunft

Auf das Volumen eines halben Basketballs könnten die Großcomputer von heute theoretisch schrumpfen, baute man sie auf Basis modernster Schaltkreisstrukturen in supraleitenden, also bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeitenden Ausführungen. So ein Rechner müßte dann zwar extern noch ein aufwendiges Kühlsystem mit sich herumschleppen, doch er könnte, so heißt es in einem Bericht der IBM, pro Sekunde 20mal mehr Instruktionen ausführen als die heutigen IBM-Großrechner; außerdem hätte er die dreifache Speicherkapazität und würde nur 7 Watt an elektrischer Leistung konsumieren (das Kühlsystem allerdings weitere 15 Kilowatt).

Ein solcher Computer müßte aus sogenannten "Josephson-Schaltungen" aufgebaut sein, Bauelementen, die im supraleitenden Zustand, also ohne elektrischen Widerstand arbeiten. Ihren Namen haben sie vom britischen Physiker Brian D. Josephson, der schon 1962 einen in Supraleitern auftretenden - und für Schaltkreise nutzbaren Effekt vorhersagte: die physikalische Grundlage des Josephson-Tunnel-Kontakts.

Es geht dabei um folgendes: Jeder Josephson-Tunnel-Kontakt wird aus zwei supraleitenden Elektroden gefertigt, die eine dünne Isolierschicht voneinander trennt. Wegen der herrschenden Mini- Temperaturen wirkt diese Isolierschicht jedoch bei Passieren eines schwachen Stroms selbst als schwacher Supraleiter, der Strom kann also von der einen Elektrode zu anderen fließen.

Diese Eigenschaft der Isolierschicht ändert sich jedoch, sobald der erwähnte Strom zu stark wird: Ab einem bestimmten Schwellwert verliert der Isolator seine Supraleitfähigkeit, der Stromfluß erfolgt fortan nur noch dank des sogenannten "Tunneleffekts", und man kann nun an beiden Seiten des lsolators eine elektrische Spannung messen ("Tunneln" ist übrigens die Bezeichnung für einen bestimmten quantenmechanischen Vorgang, der hier nicht näher erläutert werden kann; wichtig ist für die praktische Nutzung der Josephson-Schaltungen allein der Spannungsabfall).

Senkt man den Strom wieder unter einen bestimmten Wert, so kehrt der Kontakt in den supraleitenden Zustand zurück: Er stellt also ein bistabiles Schaltelement dar und eignet sich demnach zum Darstellen der beiden digitalen Grundzustände "0" und "1".

Schnell und kühl

Das Faszinierende an diesen Josephson-Tunnel-Kontakten ist nun ihr Tempo: Externe Magnetfelder können ihren jeweiligen Schaltzustand in weniger als zehn Billionstelsekunden (10 Picosekunden) ändern, was sie zu den schnellsten heute überhaupt bekannten Schaltelementen macht.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Josephson-Elemente nur wenig Verlustwärme erzeugen; man kann sie also auf engstem Raum zusammendrängen (wie das geht, siehe weiter unten), kommt mithin zu kurzen Signalwegen zwischen den einzelnen Bauteilen und erreicht dadurch wiederum besonders hohe Arbeitsgeschwindigkeiten. Am Ende dieser Überlegungen steht dann der eingangs erwähnte supraschnelle Winz-Groß-rechner.

Kurze Signalwege und hohe Packungsdichte - das verlangt natürlich nach Fortschritten in der Herstellung supraleitender Chips, nach Strukturen in der Größenordnung von 100 bis 200 Atomdurchmessern, wie sie kürzlich das Thomas J. Watson-Forschungszentrum in Yorktown Heights, New York, vorstellte (siehe auch CW vom 1. Februar 80, Seite 10).

Die dort von den IBM-Wissenschaftlern Dr. Robert B. Laibowitz und Kollegen realisierten Josephson-Schaltelemente bestehen im wesentlichen aus Dünnfilm-Streifen supraleitenden Niobium-Metalls mit 40 nm (= Nanometer = Millionstel Millimeter) Breite, 30 nm Dicke und 120 nm Länge. Diese Streifen sind inzwischen größeren Flächen supraleitender Niobium-Filme mit Schichtdicken im Mikrometerbereich angeordnet und werden im Hinblick auf ihre Funktion als "Nanobrücken" bezeichnet; durch sie fließt der oben besprochene Suprastrom.

An einer Reihe unterschiedlich gestalteter Nanobrücken erforschten die IBM-Wissenschaftler vor allem, wie kurz eine Niobium-Brücke sein muß, damit nicht etwa Wärmeeffeke beim Umschalten von supraleitenden Zustand in den normalen die Eigenschaften der Schaltung beeinträchtigen. Es zeigte sich dabei, daß zumindest bei kurzen Nanobrücken keine besonderen Wärmeprobleme auftreten.

Die gleichen Arbeiten dienten ferner dazu, herauszufinden, wie schnell günstigstenfalls in den supraleitenden Zustand geschaltet werden kann. Die Forscher kamen dabei auf eine sogenannte "Erholzeit" von 13 Picosekunden, was den theoretischen Vorhersagen gut entsprach. Noch wesentlich kürzer dürfte, vermuten die IBMer aus Yorktown Heights, das Zurückschalten vonstatten gehen.

*Egon Schmidt ist freier Wissenschaftsjournalist in München.