IBM

Europäisches Forschungskonsortium arbeitet am Null-Watt-PC

| Redakteur: Stefan Liebing

Dr. Heike Riel, IBM Zürich, Leiterin der Nanoscale Electronics Forschungsgruppe: "Die Energiedissipation entwickelt sich zur größten Herausforderung für die heutige Elektronik, insbesondere in Computern"
Dr. Heike Riel, IBM Zürich, Leiterin der Nanoscale Electronics Forschungsgruppe: "Die Energiedissipation entwickelt sich zur größten Herausforderung für die heutige Elektronik, insbesondere in Computern" (IBM Research Zürich)

IBM Research Zürich erforscht mit Universitäten und Industrieforschungszentren neuartige Tunnel-Feldeffekt-Transistoren für Computerprozessoren, die bis zu zehnmal weniger Strom im Betrieb und nahezu keinen Strom im Standby-Modus verbrauchen. Stichwort: Null-Watt-PC.

In Zusammenarbeit mit mehreren führenden Universitäten und Industrieforschungszentren in ganz Europa hat IBM eine neue Forschungsinitiative lanciert, die sich mit einem Hauptproblem heutiger Elektrogeräte und Computer befasst - dem steigenden Energieverbrauch. Im Projekt „Steeper“ werden die Forscher in den nächsten drei Jahren neuartige Transistoren entwickeln, die den Energieverbrauch dieser Geräte im aktiven Zustand um das Zehnfache senken und im Standby-Modus praktisch auf Null drosseln können.

Das Konsortium forscht an sogenannten Tunnel-Feldeffekt-Transistoren (Tunnel-FETs), die aufgrund ihres speziellen Aufbaus die Energieeffizienz im Vergleich zu heutigen Transistoren signifikant verbessern können. Als Grundbausteine für Prozessoren bieten Tunnel-FETs einen besonders vielversprechenden Ansatz, um das Problem der so genannten Verlustströme, die ursächlich für den Energieverbrauch im Standby-Modus sind, in den Griff zu bekommen.

Tunnel-FETs sollen unerwünschten Stromfluss „abdichten“

Durch die fortschreitende Miniaturisierung in der Transistorentechnologie sind die Materialschichten in heutigen Leiterbauteilen bereits so dünn, dass stetig ein kleiner aber nicht zu vernachlässigender Leckstrom fliesst. Ähnlich wie ein undichter Wasserhahn, der ständig tropft, führt dies zu einem kontinuierlichen Stromfluss, der sowohl im Betrieb als auch im Standby-Modus auftritt. Die in Steeper entwickelten Tunnel-FETs sollen nicht nur diesen unerwünschten Stromfluss „abdichten“, sondern es auch ermöglichen, dass zum Schalten der Transistoren weniger Spannung benötigt wird.

„Die Energiedissipation entwickelt sich zur größten Herausforderung für die heutige Elektronik, insbesondere in Computern“, betont Dr. Heike Riel, Leiterin der Nanoscale Electronics Forschungsgruppe bei IBM Research Zürich. „Mit Steeper wollen wir die Betriebsspannung der Transistoren senken, was einen deutlich geringeren Energieverbrauch für das kleinste Elektronikgerät bis hin zum grossen Supercomputer bedeuten kann.“

Das von der Europäischen Union unterstützte Projekt steht unter der technischen Leitung der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Zu den Partnern gehören das IBM Forschungszentrum in Rüschlikon, CEA-LETI, das Forschungszentrum Jülich, Infineon, Global Foundries* sowie die Universitäten in Dortmund, Bologna, Udine und Pisa. Das Projektmanagement wird durch SCIPROM unterstützt.

Die Vision vom "Null-Watt-PC"

„Unsere Vision ist es, gemeinsam mit der Industrie an der Entwicklung eines Computers zu arbeiten, dessen Stromverbrauch im Ruhezustand vernachlässigbar gering ist. Wir nennen ihn den 'Null-Watt-PC'. Gelingt dies, wäre ein Meilenstein der IT-Forschung erreicht“, erklärt Prof. Adrian M. Ionescu vom Nanolab der EPFL und Koordinator von Steeper.

Gemäß der Internationalen Energie-Agentur (IEA) verursachen Elektrongeräte heute rund 15 Prozent des Stromverbrauchs der Haushalte. Bis 2022 dürfte sich der Energieverbrauch verdoppeln und bis 2030 sogar auf ca. 1700 Terawattstunden verdreifachen, was dem Gesamtenergieverbrauch der Haushalte in den USA und Japan im Jahr 2009 entspricht**. Besonders unwirtschaftlich ist der enorme Energieverbrauch im Standby-Modus. Nach Schätzungen der EU beträgt dieser bereits zehn Prozent des Energieverbrauchs der Wohnungen und Büros ihrer Mitgliedstaaten***. Ohne zielgerichtete Gegenmaßnahmen wird der Energieverbrauch im Standby-Modus auf 49 Terawattstunden pro Jahr zunehmen, was beinahe dem aktuellen jährlichen Energieverbrauch von Portugal, Österreich und der Tschechischen Republik zusammen entspricht****.

Quantenmechanische Effekte für energiearme Prozessoren

In Steeper werden drei verschiedene Arten von Tunnel-FETs untersucht: solche auf der Basis von Silizium (Si), Silizium-Germanium (SiGe) und Nanodrähten aus III-V-Halbleitern. Nanodrähte sind zylindrische Strukturen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern (nm), die eine optimale elektrostatische Kontrolle des Transistorkanals ermöglichen. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter.

In Tunnel-FETs wird quantenmechanisches Band-zu-Band-Tunneln genutzt, um den Transistor zu schalten. Beim Übergang vom „OFF“- in den „ON“-Zustand entsteht so eine steilere Schaltcharakteristik als bei konventionellen Transistoren, die bei 60 mV pro Dekade physikalisch limitiert ist. Dadurch benötigen diese neuartigen Transistoren effektiv weniger Spannung zum Schalten. Die steile Schaltcharakteristik ermöglicht gleichzeitig eine Reduktion des Leckstroms unterhalb der Schwellwertspannung und somit eine Verringerung des Energieverbrauchs im Standby-Modus.

Aufgrund dieser steileren, oder abrupteren, Charakteristik werden diese Tunnel-FETs auch als Steep-Slope-Transistoren bezeichnet, wovon sich der Projektname Steeper ableitet. Der kritische Faktor für den Erfolg des Projekts wird die Entwicklung eines energieeffizienten und steilen Tunnel-FETs sein, der in einem Spannungsbereich von unter 0,5 Volt arbeiten kann.

Ein weiterer Teil von Steeper ist die Untersuchung der physikalischen und praktischen Grenzen für eine Leistungssteigerung von Tunnel-FETs, die auf Nanodrähten aus III-V-Halbleitern und deren Heterostrukturen basieren, und der Vorteile, die sich daraus für künftige energieeffiziente elektronische Schaltungen ergeben könnten.

Hinweise und Quellenangaben:

* Die Beteiligung von Global Foundries in Steeper ist z.Z. noch in Verhandlung.​** Gadgets and Gigawatts, International Energy Agency (IEA), Policies for Energie Efficient Electronics, ISBN 978-92-64-05953-3 ​*** European Commission Joint Research Center, Institute for Energy, European Codes of Conduct for ICT ​**** Electricity Consumption and Efficiency Trends in the European Union, Status Report 2009, JRC-IE

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 24099790 / Hardwareentwicklung)