Fraunhofer IZM: Forschung an Spinwellen
Chips mit minimalem Energieverbrauch
Computer werden immer kleiner. Die in den Geräten verbauten Chips benötigen bei wachsenden Anwendungswünschen hingegen immer mehr Leistungsdichte, erwärmen sich stärker und verbrauchen mehr Energie. Daher wird die Technik für Hochleistungscomputer mit niedrigem Stromverbrauch immer relevanter.
In einem von der EU geförderten Projekt will ein Konsortium aus Forschung und Industrie Änderungen der magnetischen Eigenschaften in Halbleitern nutzen, um den Energieverbrauch von Computern um das 100-Fache zu verringern. Forschende des Fraunhofer IZM wollen dabei klären, wie die winzigen Kontakte der Halbleiter angeschlossen werden.
Neue Erkenntnisse der Spinforschung versprechen, dass sich der Energie- und Flächenverbrauch von elektronischen Geräten deutlich senken lässt, wenn man Spin-Wave-Technologien in Mikrochips verwendet. Doch womit beschäftigt sich die Spinforschung überhaupt? Als Spinwellen bezeichnet man die kollektive Anregung in einem magnetischen Material. Ein Spin ist dabei der Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, wie beispielsweise eines Elementarteilchens wie Elektron oder Neutron. Dieser Drehimpuls, also der „Spin“, stellt die Grundlage aller magnetischen Phänomene dar. Die Quantenteilchen der Spinwellen wiederum bezeichnet man auch als Magnonen. Und genau diese will sich die Spinforschung zu Nutze machen, da sie mehr Informationen transportieren können und weniger Energie verbrauchen als klassische Mikro- und Halbleiterchips.
Um die Konzepte aus der Spin- und Magnonikforschung auf eine konkrete Anwendung zu adaptieren, haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM zusammen mit europäischen Partnern aus der Forschung und der Industrie ein Rechnersystem konzipiert, bei dem die Magnonik an einen Standardcomputer angeschlossen und somit in gängige Halbleitersysteme integriert wird.
Für eine mögliche Kompatibilität der Technik hatte das Forschungsteam dabei die so genannte CMOS-Schaltung im Blick. Diese Halbleiterelemente kommen in allen gängigen Rechnern vor und können zugleich digitale als auch analoge Daten speichern und verarbeiten. Im Rahmen des Projekts konzipierte die Gruppe am Fraunhofer IZM einen Chipaufbau für Frequenzen bis circa 16 Gigahertz und mit nahezu gleichlangen Verdrahtungslängen für mehr als 100 Kanäle. Dieser Chipaufbau soll dann die Schnittstelle zwischen einem klassischen PC und einem Spinwellen-Schaltkreis auf Saphir- oder Gadolinium-Gallium-Granat-Basis darstellen.
Die besondere Herausforderung dabei stellt die räumliche Dichte der Spinwellen-Logikgatter auf einem Chip dar. Ein Logikgatter bezeichnet einen Rechenoperator, der binäre Eingangssignale zu Ausgangssignalen verarbeitet. „Aktuell wird auf einem dieser Spin-Wellen-Chips nur ein Logikgatter betrieben. Wir wollen künftig über 100 Gatter auf einem Chip platzieren“, erklärte der zuständige Projektleiter am Fraunhofer IZM, Dr. Martin Hempel, und blickt dabei zuversichtlich auf die besondere Expertise des Instituts im Bereich der Einbettung von Hochfrequenz-Chips mit vielen Ausgängen.
Im Projekt will man damit erstmals komplexere Rechenfunktionen eines Computerchips unter Nutzung von Spinwellen demonstrieren. Damit soll sich der Weg zu einem 100-fach reduzierten Energieverbrauch von zukünftigen Computersystemen öffnen. Weiterhin ermöglicht die vom Fraunhofer IZM in diesem Projekt entwickelte Technik der Ansteuerung einer Vielzahl von Hochfrequenzkanälen weiterführende Anwendungen auch in anderen Bereichen, wie Hochfrequenz- und Kommunikationssystemen, so zum Beispiel in der Kollisionsvermeidung beim autonomen Fahren.
Das von der Europäischen Union geförderte Horizon-Projekt Spider (Spin Wave Computing for Ultimately-Scaled Hybrid Low-Power Electronics) läuft vom 1.12.2022 bis zum 31.5.2026 und wird mit einer Summe in Höhe von drei Millionen Euro gefördert. Das Projekt wird vom Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) in Leuven koordiniert. Weitere Projektpartner sind die Technische Universität Delft, die Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau, das nationale Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Mikrotechnologien IMT aus Bukarest, sowie die Unternehmen Thales und Akronic.
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