Erster Rechner aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebaut

Es ist grundsätzlich möglich, elektronische Schaltkreise aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu bauen und damit die bisherigen Silizium-Technologien zu ersetzen. Das haben Wissenschaftler der Stanford University nun bewiesen. Es ist ihnen gelungen, in der Praxis einen Prozessor auf Basis des neuen Materials zu entwickeln. Bisher sah man die Kohlenstoff-Nanoröhrchen, oder Carbon Nanotubes (CNTs), aufgrund ihrer Eigenschaften zwar in der Theorie als möglichen Silizium-Ersatz an, doch es gab noch grundlegende Probleme zu überwinden, die einem praktischen Einsatz im Weg standen. Hier konnten die Forscher nun einen wesentlichen Durchbruch erringen.

Bereits vor gut 15 Jahren ist es erstmals gelungen, einen Transistor aus CNTs zu bauen. Allerdings zeigte sich, dass die Herstellungs-Prozesse für das Material nicht perfekt sein können. Zwar konnte man die Verfahren immer weiter verbessern, doch selbst die inzwischen erreichte Qualität, bei der rund 99,5 Prozent der CNTs dort entstanden, wo sie sollten und sich auch wie gewünscht verhielten, reichte nicht aus. Bei einem modernen Prozessor sind immer Milliarden von Transistoren zusammengeschaltet, so dass sich hier eine Fehlerquote von nur 0,5 Prozent zu einem sehr großen Problem entwickelt.

Eine der Schwierigkeiten, mit denen die Forscher dabei konfrontiert waren, liegt in veränderten Eigenschaften: Ein kleiner Teil der CNTs in den Schaltkreisen verhielt sich nicht wie ein Halbleiter, sondern wie ein Metall. Es galt ein Verfahren zu finden, mit dem diese nicht einzeln wie eine Nadel im Heuhaufen gesucht und entfernt werden konnten. Dies ist den Stanford-Wissenschaftlern gelungen.

Sie entwickelten einen Algorithmus, mit dem sich alle CNTs mit Halbleiter-Eigenschaften auf einem Chip deaktivieren ließen. Anschließend wird der Schaltkreis mit Energie vollgepumpt, die sich dann in den metallisch arbeitenden Teilen konzentrierte. Diese überhitzen dabei und verbrennen zu Kohlendioxid.

Auf Basis dieser Methode gelang es den Wissenschaftlern nun einen Computer zu bauen, dessen CNT-Prozessor immerhin mit 178 Transistoren ausgestattet ist. Es wäre grundsätzlich wohl möglich gewesen, auch einen größeren Schaltkreis herzustellen, allerdings setzten die an der Universität verfügbaren Produktionssysteme dem Grenzen, hieß es.

Auf dem Chip konnte man allerdings bereits einen MIPS-Befehlssatz und ein kleines Betriebssystem laufen lassen. Der Rechner bewältigte anschließend auch schon verschiedene Grundlegende Aufgaben wie das Zählen und die Sortierung einiger Zahlen.

Forschungs-Kollegen würdigten die Arbeit des Teams bereits als wichtigen Schritt, die CNT-Technologie aus dem Labor in die reale Chipindustrie zu bringen. Man könne nun davon ausgehen, dass im nächsten Jahrzehnt die ersten entsprechenden Chips auf den Markt kommen und so die Probleme überwunden werden können, die die Physik einer immer weiteren Verkleinerung der Silizium-Architekturen auferlegt.