Magnetische Energiesparer

Moderne Prozessoren haben zwei große Probleme. Erstens: Sie verbrauchen zu viel Energie. Und zweitens: Sie erzeugen bei der Arbeit zu viel Hitze. Dem ersten Problem begegneten die Hersteller, in dem sie die Schaltungen immer kleiner machten. So traten weniger Verlustströme auf. Und auch das zweite Problem, die Wärmeentwicklung, ließ sich dadurch zumindest abmildern. Noch weniger Energie bräuchten die Prozessoren jedoch, wenn sie nicht dauerhaft unter Strom stünden, erklärt der Experimentalphysiker Wolfgang Kuch von der Freien Universität Berlin.

"Also diese logischen Bausteine verbrauchen ständig Energie, und durch die höhere Integration ist es ja heute schon ziemlich an der Grenze, wie man aus diesen hochgezüchteten Mikroprozessoren die Wärme rechtzeitig und dauerhaft bei Höchstoperationen dann raus kriegt."

Sehr viel kleiner können herkömmliche Schaltkreise aus Silizium in den nächsten Jahrzehnten kaum noch werden. Die Grenzen des Machbaren sind bald erreicht. Einen Ausweg könnten Schaltungen aus magnetischen Dipolen eröffnen. Das sind Konstruktionen im Nanometermaßstab, die aus mehreren kleinen, magnetisierten Stäbchen bestehen. Stark vergrößert sehen sie aus, wie kleine Kompassnadeln, die nebeneinander stehen.Im Ensemble der aufgereihten Kompassnadel hat jede ihre Aufgabe: Eine nimmt die Information an, andere führen logische Operationen aus und wieder andere geben das Ergebnis weiter. Es ist das gleiche Prinzip, wie beim Transistor. Wie die Information zu den magnetischen Schaltbausteinen kommt und weitergeleitet wird, haben die Forscher noch nicht festgelegt. Momentan tüfteln sie noch an der Magnetlogik selbst. Kuch:

"Die Motivation dahinter ist auch, den Leistungsverbrauch von logischen Schaltkreisen zu reduzieren. Hier kommt der Magnetismus eben ins Spiel, der völlig mit abgeschalteter Leistungsversorgung seinen letzten Zustand beibehält. Und man müsste dann nur noch Leistung in das System hineinstecken, in dem Moment wo eine logische Operation durchführt, also wo man die Magnetisierung eines dieser kleinen Magnete umdreht."

Die digitale Information - eine Eins oder eine Null - kommt also in das magnetische Schaltelement, wird darin ausgewertet und als Ergebnis - dann eine Null oder Eins - ausgegeben. Und nur bei der eigentlichen Berechnung wird Energie gebraucht. Aber nicht nur der gesunkene Energiebedarf macht das neue Konzept reizvoll. Es ist außerdem flexibler. Während heutige, geätzte Schaltung starr sind, also in ihrer Konfiguration nicht mehr verändert werden können, lassen sich die Schaltungen aus magnetischen Dipolen in Grenzen neu programmieren. So kann aus einem Element, dass die Rechenoperation "Und" repräsentiert, durch Umlegen der Magnetschalter ein Element werden, dass ein "Oder" darstellt. Kuch:

"Wenn es mal soweit wäre, dass die gesamten Rechenoperationen eines Mikroprozessors durch solche magnetischen Sachen vollführt werden könnten, könnte man die Wärme, wenn es sich um Metalle handelt, leichter abführen und zum anderen würde man auch an der Stelle wo grade nicht geschaltet wird, keine Energie mehr verbrauchen."

Mikroschalter aus magnetischen Dipolen sind nicht die einzigen Ansätze. Außer ihnen gibt es noch einige weitere Ideen, um logische Schaltungen nachzubilden. Der Forscher Russell Cowburn aus London beispielsweise setzt auf magnetischen Streifen. Durch die Streifen werden sogenannte Domain Walls geschickt. Eine Domain wall ist die Grenze zwischen zwei magnetischen Bereichen in so einem Streifen, in der die Magnetisierung in unterschiedliche Richtungen zeigt. Legt man einen Strom an, können die Domainwalls verschoben werden. Sie wandern also durch den Streifen. Zwar braucht die Streifentechnik noch vergleichsweise viel Platz, sie führt aber zu einem ähnlichen Ziel. Kuch:

"Also da gibt es sehr viele Ideen, die aus dem Bereich des Magnetismus kommen. Und welche nachher von den Leuten in den Entwicklungsabteilungen aufgegriffen werden, das wird man dann sehen. Die werden sicherlich genau prüfen, wie sich das verhält mit den Kosten, worauf die Grundlagenforscher natürlich gar nicht achten, Verkleinerungs- also Skalierungsverhalten, Adaptierbarkeit in bisherige Schaltungen und so weiter."

Bis man die winzige magnetischen Stäbchen eingebaut in einen Computer im Elektromarkt um die Ecke finden wird, gehen sicher noch viele Jahre ins Land. Nur wenige neu entdeckte Technologien schafften es bisher schneller in die Praxis, weiß Wolfgang Kuch zu berichten.

"Zum Beispiel von der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandes im Jahr 1987/88 bis zu den Festplattenleseköpfen, die diesen Effekt verwendeten, vergingen zehn Jahre und das wird schon als Beispiel einer außerordentlich schnellen Realisierung in der Technologie angesehen. Und daher denke ich, dass Sachen, die jetzt noch gar nicht in der Entwicklung sind, vor zwanzig Jahren nicht in Geräten eingebaut sein werden."

Somit ist es noch offen, ob jemals winzige Kompassnadeln in unseren Computern den Prozessor bilden. Und bis dieses oder ein anderes Konzept umgesetzt wird, werden Prozessoren weiter jede Menge Energie verbraten.