10.02.2017

Wärmeschleudern auf Nanoebene

Fotos: Google, Intel

Mit dem Siegeszug von Computerchips in immer neuen Alltagsgegenständen wächst ihr Stromverbrauch in bedenkliche Dimensionen. Dabei geht ein Großteil als Wärme verloren. Mit neuen Materialien und Architekturen basteln Hersteller an effizienterer IT.

Digitalisierung gilt vielen gerade in der Energiewirtschaft als Effizienzwunder: Ungeliebte Strommasten, teure Speicher und Strom selbst – all das soll die Technikverheißung in intelligenten Netzen sparen helfen. Dabei belasten Chips und Computer durch ihren Energieverbrauch selbst das Klima.
Bei den Milliarden von Schaltvorgängen in den Prozessoren entstehen Verluste in Form von Wärme. „Verlustleistung“ heißt das in der Fachsprache. In der Summe sind die Auswirkungen gewaltig: Zehn Prozent des gesamten deutschen Stromverbrauchs werden für Informations- und Kommunikationstechnologie verwendet, schätzt das Bundesumweltministerium.
In Zeiten, in denen Chips selbst in Toastern und Schraubenziehern stecken, entwickelt sich der wachsende Stromverbrauch der Digitaltechnik zum ernst zu nehmenden Problem.

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Die Branche stößt an die natürlichen Grenzen der Physik  

Industrie und Forschung versuchen gegenzusteuern. Neue Chipstrukturen und innovative Technologien sollen helfen, den Stromverbrauch zu reduzieren. Allerdings hat sich die Computerbranche selbst in die Bredouille gebracht: Sie hat ihre Kunden daran gewöhnt, dass schnellere, leistungsfähigere Chips zum gleichen Preis auf den Markt kommen wie ihre Vorgänger. Lediglich bei den Betreibern großer Rechenzentren und einigen High-End-Nutzern ist die Bereitschaft vorhanden, für mehr Leistung auch mehr Geld auszugeben. In Serverräumen entsteht eine zusätzliche Herausforderung: Die viele Abwärme bedingt zusätzliche Energie zur Kühlung. Unter Druck kommt die Branche außerdem, weil die Leistungssteigerung nach dem Mooreschen Gesetz langsam an ihre Grenzen stößt. Die Quantenphysik lässt eine ständige Verdopplung der Zahl der Transistoren auf der gleichen Fläche in kurzen zeitlichen Abständen nur noch wenige Jahre zu.
Zu diesem Schluss kommt die Branchenstudie International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). Allein die Größe der verwendeten Atome setzt der ständigen Verkleinerung eine natürliche Grenze. Zudem gilt: Je näher die Transistoren nebeneinander liegen, desto stärker heizen sie sich auf. Intel kündigte daher Verzögerungen bei der Entwicklung neuer Mikroprozessoren an. Die Branche braucht neue Ansätze, sowohl bei der Architektur der Chips als auch bei den verwendeten Materialien.

Mit Elektronen ist es wie beim Sport: Weniger Bewegung bedeutet geringeren Energieverbrauch

Am Einfachsten wäre es, die Geschwindigkeit zu reduzieren, mit der sich die Elektronen im Chip bewegen. Weniger Bewegung hieße weniger Wärme. Aber eben auch weniger Geschwindigkeit. Wenigstens geht es nur um die Prozessoren. Speicherelemente sind eher unkritisch, weiß Gerd Teepe, Direktor Schaltungsentwurf beim Halbleiterproduzenten Globalfoundries am Standort Dresden: „Ein Speicher hält nur Daten, dabei fließt kein Strom.“
Globalfoundries ist einer von vier globalen Halbleiterherstellern, die sich den Bereich Spitzentechnologie teilen und in der Lage sind, besonders kleine Strukturen herzustellen. Lediglich Samsung, TSMC und Intel sind in dem Bereich noch aktiv. Unternehmen wie Apple, Nvidia, Infineon und IBM haben dagegen keine eigenen Fertigungsanlagen für niedrige Strukturgrößen. Sie beauftragen stattdessen diese „Foundries“ genannten Zulieferer. Noch ist ein bisschen Luft für den Schrumpfprozess.
Bei Globalfoundries beträgt die kleinste Strukturgröße derzeit 28 Nanometer (nm). Demnächst soll es auf 22 nm runter gehen, zwölf nm sind laut Teepe in der Entwicklung: „An sieben nm forschen wir auch schon.“ Zum Vergleich: Sieben Nanometer verhalten sich zu einem Meter ungefähr so wie 1 Millimeter zu der rund 140 Kilometern langen Strecke Frankfurt – Karlsruhe.

Stromsparen mittels einer Art Standby-Funktion

Produziert wird in einem Druckverfahren durch die Belichtung dünner Halbleiterplatten, den Wafern. Um die kleinen Details hinzubekommen, haben die Hersteller längst den Bereich des sichtbaren Lichts verlassen. Tatsächlich führt die feinere Beschaffenheit zu einem geringeren Strombedarf. Bei der 22 nm-Technologie beträgt die Spannung 800 Millivolt (mV). Viel weiter runter geht es mit der herkömmlichen Bauweise nicht mehr. Die Transistoren würden sonst zu langsam. Werden die Strukturen aber deutlich kleiner, treten verstärkt eigentlich störende Tunneleffekte auf: Die Elektronen wechseln zwischen verschiedenen Leiterbahnen. Die Branche forscht daran, wie sie diese Effekte nutzen kann. „Dann könnte man die Spannung auf wenige 100 mV absenken“, sagt Teepe. Mit Tricks lässt sich die benötigte Versorgungsspannung aber dennoch unter die 800 mV reduzieren. Unter anderem hilft dabei eine zusätzlich Isolierschicht aus Siliziumoxid im Transistor. Experten ist die Technologie als FDSOI bekannt. Ihnen kommt dabei eine physikalische Gesetzmäßigkeit zupass: Die Verlustleistung eines Chips fällt quadratisch mit der Versorgungsspannung. Halbe Spannung bedeutet also nur noch ein Viertel verlorene Wärme. Die geringere Leistung kann dann laut Tepe über das Design der Transistoren, also der Schaltelemente auf den Halbleitern, ausgeglichen werden.
Eine bereits praktikable Variante, den Energiebedarf zu reduzieren, ähnelt der Stand-by-Funktion von Fernsehern, die jeder aus dem eigenen Heim kennt. Dabei werden Funktionen des Prozessors ausgeschaltet, wenn sie nicht benötigt werden, sodass sie keinen Strom verbrauchen. „Viele Industrieanwendungen brauchen beispielsweise keine Grafik“, weiß Karl-Heinz Mainz, Vertriebsingenieur bei MSC Technologies.

Serverfarmen sparen schon durch kleine Verbesserungen der Energieeffizienz enorme Kosten

Langfristig genügen all diese kleinen Kniffe aber nicht. Ein erster Schritt zu einer grundlegenden Optimierung war die Einführung mehrerer Prozessorkerne. Aber hier ist zumindest wirtschaftlich das Ende erreicht.
Noch vielversprechend ist der Ansatz, Speicher auf die Prozessoren zu stapeln. Durch dieses „Stacking“ genannte Verfahren sind die Wege von Prozessor zu Speicher deutlich kürzer als auf den herkömmlichen Platinen mit teilweise langen Leiterbahnen. Signale legen daher kürzere Strecken zurück. „Das spart Zeit und Strom“, weiß Teepe.
Weitere Verbesserungen entstehen durch Veränderungen des Aufbaus auf kleinster Ebene. Hier können die Hersteller beispielsweise die Gefahr von Kurzschlüssen durch überschüssige Ladungsträger reduzieren.
Gleichzeitig testen die Produzenten neue Materialien. Nach dem Technologie-Fahrplan ITRS ruhen darauf viele Hoffnungen. „Wir haben mittlerweile fast jedes nicht radioaktive Element im Werk“, berichtet Globalfoundries-Experte Teepe. So dotieren die Hersteller beispielsweise Siliziumdioxid mit Hafniumoxid, um die Leitfähigkeit zu optimieren. Infineon verwendet unter anderem Galliumnitrid und Siliziumcarbid. „Die herkömmliche Silizium-Technologie wird uns noch lange begleiten, sie stößt aber an Grenzen“, erklärt Andreas Urschitz, Präsident der Division Power Management & Multimarket beim Halbleiterspezialisten Infineon. Schon kleine Gewinne lohnen sich. „Größere Serverfarmen benötigen schnell 400 Gigawattstunden Strom pro Jahr, nur ein Prozent mehr Effizienz spart da eine Million Euro – allein bei den direkten Stromkosten“, rechnet Urschitz vor. Zudem reduzierten sich dadurch die Ausgaben für Kühlung.

Forscher tüfteln an einem "Ein-Chip-Computer"

Für Effizienz im zukunftsträchtigen Internet der Dinge entwickeln die Hersteller Ein-Chip-Systeme. Mehrere Funktionen liegen dann auf einen Chip. Prozessor, Arbeitsspeicher, Programmcode und komplexe Schnittstellen sind nicht mehr über eine Platine verteilt. So ein Chip kann beispielsweise in einem Fahrzeug das Fahrerassistenzsystem steuern und gleichzeitig Sicherheitscode gegen Hackerangriffe enthalten. „Ziel ist der Ein-Chip-Computer“, erklärt Teepe.
Und dann ist da noch das, was der Experte „Professorenthemen“ nennt. Technologien, an denen noch fleißig geforscht wird, oft noch im universitären Bereich. So experimentieren die Physiknobelpreisträger Andre Geim und Konstantin Novoselov mit dem von ihnen erstmals isolierten Material Graphen.

Ihre Idee: Schichten aus jeweils einer Atomlage verschiedener Materialien zu kombinieren. Bereits sechs Lagen genügen für einen Transistor – bislang allerdings nur im Labor. Den Energiebedarf deutlich reduzieren könnten auch sogenannte Memristoren, dabei handelt es sich um verstellbare elektrische Widerstände mit eingebautem Gedächtnis. Bisher geht ein großer Teil der Energie verloren, wenn Transistoren Daten zwischen Logik und Zwischenspeicher hin und her verschieben. Forscher der internationalen Forschungskooperation Memriox haben nachgewiesen, dass ein einziger Memristor ganze Schaltkreise ersetzen kann. Für die logischen Operationen, die im Inneren eines Computers ablaufen, sitzen dort bislang Schaltungen aus mehreren Transistoren. Der große Vorteil der technischen Neuerung: Da er sich Zwischenschritte merkt, ersetzt der Memristor gleich mehrere Stellelemente.

Der Artikel ist in der Februar-Ausgabe von bizz energy erschienen. Das Heft erhalten Sie bei unserem Aboservice unter bizzenergy@pressup.de.

Jochen Bettzieche
Keywords:
IT | Computer-Chips | Energieeffizienz | Halbleiter | Informations- und Kommunikationstechnologie
Ressorts:
Technology

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