Die Vakuumröhre wird wieder zur Alternative zum Silizium-Transistor

Die zunehmende Miniaturisierung der Silizium-Strukturen bei der Chip-Entwicklung wirft immer mehr Probleme auf. Da könnte nun eine längst überwunden geglaubte Technologie eine Wiedergeburt erleben: Die alte Vakuum-Röhre. In veränderter Form - versteht sich.
Infografik: Chipentwicklung
Die Chip-Produktion wird demnächst in Dimensionen vorstoßen, in denen Transistoren kleiner als 10 Nanometer sind. Bereits jetzt ist es schwierig, die Nebeneffekte der Miniaturisierung in den Griff zu bekommen. Unter 10 Nanometern tauchen dann neue Erscheinungen auf. Das Silizium verhält sich zunehmend seltsam. Es kommt nicht nur zu Leckströmen, sondern die Strukturen werden zunehmend elastisch und beginnen Licht zu emittieren.

Am California Institute of Technology (CalTech) hat man daher das Konzept der Vakuumröhre wieder herausgekramt und will dieses in sehr stark verkleinerter Form wieder zum Einsatz bringen. "Die Vakuumröhre taucht in jedem Jahrzehnt wieder auf", erklärte Axel Scherer, Leiter der Nanofabrication Group am CalTech, laut einem Bericht der New York Times. In den 1990er Jahren waren sie beispielsweise eine vielversprechende Option für die Entwicklung von flachen Displays - allerdings erwiesen sich Flüssigkristalle dann doch als effizienter und billiger in der Produktion. Auch in anderen Forschungsprojekten spielte sich mehrfach ähnliches ab.

Nun stehen die Vakuumröhren wieder einmal auf dem Plan und könnten tatsächlich eine sinnvolle Alternative darstellen. Allerdings haben sie nichts mehr mit den bekannten glimmenden Glaskolben in alten Radios zu tun. Stattdessen handelt es sich um metallische Röhrchen, die nur unter dem Elektronenmikroskop zu sehen sind. Die Forscher am CalTech haben mit ihnen bereits funktionierende Bauelemente konstruiert.

Ungewollter Effekt wird plötzlich gebraucht

Bei vergleichbarer Baugröße haben sie gegenüber Silizium-Strukturen einen wesentlichen Vorteil: Aktuell verschwindet etwa die Hälfte der in einen Prozessor gesteckten Energie in Form von Leckströmen und wird als Abwärme an die Umgebung abgegeben. Verursacht wird dies durch den quantenmechanischen Tunneleffekt - und genau dieser würde in den neuen Vakuumröhren dafür sorgen, dass ohne den Verlust von Elektronen Schaltungen durchgeführt werden können. Die bisherigen Forschungsergebnisse sind dahingehend vielversprechend, dass man so Chips entwickeln kann, die schneller als Silizium-Schaltkreise arbeiten und dabei noch wesentlich weniger Energie benötigen.

Im Blick hat man dabei auch alternative Materialien. So könnten die extrem dünnen Röhren aus Metall auch durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzt werden. Deren Entwicklung steht schon länger im Fokus vieler Arbeiten und ist entsprechend weit fortgeschritten.