Wie können Computer immer schneller werden?

Die Leistungssteigerung von Computern ist für jedermann im täglichen Leben sichtbar: Wie selbstverständlich wird bei der Fußballübertragung vor einem Freistoß die Torentfernung berechnet und durch schnelle Bildverarbeitung live grafisch eingeblendet. Wo früher in Computerspielen eckige Gebilde über den Bildschirm ruckelten, vergnügt man sich heute mit hochaufgelösten dreidimensionalen Figuren in Echtzeit. Und moderne Autos erkennen selbstständig Fußgänger und leiten eine Bremsung ein.

Technisch gesehen hängt die Leistung eines Computers durch mehrere Faktoren ab, das Wesentliche ist aber die Anzahl der Transistoren im Prozessor, dem „Gehirn“ des Computers. In den ersten Prozessoren in den 1970er Jahren befanden sich einige tausend Transistoren – also Bauteile zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen – in einem modernen Prozessor sind es schon mehrere Milliarden. Dies ist möglich, indem die Transistoren immer kleiner werden. Die Strukturen, also die Einzelteile der Transistoren, waren in den ersten Prozessoren noch etwa 10 Mikrometer groß (etwa ein Fünftel des Durchmessers eines Haares). Heute beträgt deren Größe in modernen Prozessoren etwa 20 Nanometern, sie sind 500mal kleiner. Dadurch werden nicht nur die Prozessoren selbst immer leistungsstärker, sondern es passen heute auch mehrere Einheiten, die parallel Rechenaufgaben ausführen und Kerne genannt werden, auf einen Chip. Darüber hinaus erlauben die kleineren elektrischen Bauteile den Betrieb mit einer immer höheren Geschwindigkeit bzw. Taktfrequenz: In den letzten 40 Jahren hat sich diese von einem Megahertz (eine Millionen Schaltvorgänge pro Sekunde) auf heute mehr als 3 Gigahertz (drei Milliarden Schaltvorgänge pro Sekunde) erhöht.

Wie sieht ein Prozessor in der Zukunft aus? Die Verkleinerung der Bauteile stößt zur Zeit an technische Grenzen. Heutige Computerchips werden mit aufwändigen Verfahren wie der Lithographie-Technik hergestellt, bei der die Strukturen der Transistoren mit Hilfe von Licht auf den Chip übertragen werden. Die Strukturgröße liegt jedoch schon jetzt weit unter der Wellenlänge des verwendeten Lichtes, wodurch die Grenzen der klassischen Optik überschritten werden. Das heißt, die übertragenen Strukturen verschmieren durch sogenannte Beugungseffekte und können nicht mehr scharf abgebildet werden. Für zukünftige Verfahren wird deshalb daran gearbeitet, die Wellenlänge des Lichts für das Lithographieverfahren auf 13 Nanometer zu reduzieren (sogenanntes „extremes Ultraviolett“ = EUV). Damit wird man in wenigen Jahren Transistoren herstellen können, die nur Nanometer (Milliardstel Meter) winzig sind, was der Größe weniger Atome nebeneinander entspricht. Dann werden physikalische Grenzen erreicht, wo die Quantenphysik eine Rolle spielt und herkömmliche Technologien nicht mehr uneingeschränkt funktionieren werden. So ist es bei derart kleinen Bauteilen möglich, dass Elektronen von einem Transistor zum nächsten „tunneln“ und so unerwünschte Schaltvorgänge auslösen. Übertragen auf ein Haus wäre das vergleichbar mit dem Betätigen des Lichtschalters im Wohnzimmer, jedoch geht das Licht im Badezimmer an. Wir dürfen also gespannt sein, ob die Wissenschaftler und Techniker die Grenzen der herkömmlichen Technologie erweitern können oder ob sich völlig neue Technologien, wie etwa der Quantencomputer, durchsetzen.

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