Das Ende des Mooreschen Gesetzes?


Gordon Moore, einer der Gründer der Chipfirma Intel, hat im April 1965 eine berühmte Regel formuliert, die später als das Mooresche Gesetz bekannt wurde. Sie besagt, dass sich die Zahl der Transistoren, also der elektronischen Schaltelemente, auf einem fingernagelgroßen Mikrochip alle 18 bis 24 Monate verdoppelt. Dieser Wert ist ein entscheidender Faktor für die Rechenleistung und die Speicherfähigkeit der Chips.

So besaß der erste Mikroprozessor, der Intel 4004, im Jahr 1971 insgesamt 2.300 Transistoren. 20 Jahre später hatte der Intel 80486 schon 1,2 Millionen Transistoren, und wieder 20 Jahre später verfügte der Power-7-Prozessor von IBM über 1,2 Milliarden Transistoren. Dies entspricht einer Zunahme um das Tausendfache innerhalb von 20 Jahren – ohne dass die Kosten für solche Mikrochips wesentlich angestiegen sind. Oder anders ausgedrückt: Für das gleiche Geld bekommt man jeweils 20 Jahre später die tausendfache Speicher- und Rechenleistung.

Den Effekt kann jeder von uns in seiner Jackentasche bewundern: Ein gutes Smartphone von heute ist mit rund 100 Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde fast so schnell wie der beste Supercomputer Mitte der 1990er-Jahre. Zugleich sanken aber die Kosten um einen Faktor 10.000, und das heutige Smartphone braucht auch nur noch ein 10.000-stel bis ein 100.000-stel der elektrischen Leistung des damaligen Supercomputers. Da jedes Jahr etwa eine Milliarde Smartphones weltweit verkauft werden, kann man ohne Übertreibung sagen, dass heute Milliarden von Menschen Computer mit sich herumtragen, die ähnlich leistungsfähig sind wie ein Supercomputer vor 20 oder 25 Jahren – von denen es damals nur eine Handvoll gab.

Transistoren von der Größe weniger Atome

Wie lange kann eine solche Entwicklung noch weiter gehen? Um zwei Milliarden Transistoren auf die Mikroprozessoren der besten heutigen Smartphones zu bekommen, messen die feinsten Strukturen auf den Siliziumchips nur noch etwa 20 Nanometer – 20 Millionstel Millimeter. Die Halbleiterfirma Intel berichtet auch schon über 10-Nanometer-Chips. Das sind Strukturen von etwa einem Fünftausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Ein einzelner Transistor auf den Mikrochips ist damit deutlich kleiner als der kleinste Grippevirus.

Und einige Halbleiterforscher arbeiten bereits an einem weiteren Schrumpfen der Abmessungen auf etwa fünf Nanometer. Danach erst, in den Jahren zwischen 2020 und 2025, wird das klassische Mooresche Gesetz an eine physikalische Grenze stoßen, weil die einzelnen Schaltelemente dann die Größe weniger Atome erreichen – was dazu führt, dass der elektrische Strom in ihnen nicht mehr gut kontrollierbar ist. Außerdem wird es dann auch immer schwieriger, die bei der Datenverarbeitung entstehende Wärme abzuführen.
Im Frühjahr 2016 haben daher die großen Mikrochip-Firmen aus Asien, Europa und den USA wie Intel und Samsung bekanntgegeben, dass sie sich bei ihrer Zukunftsplanung erstmals nicht mehr am Mooreschen Gesetz orientieren werden, sondern eher an Anwendungen wie den Mobilgeräten und der Vielfalt an Mikrochips und Sensorelementen, die dafür nötig sind.

Doch dies heißt noch lange nicht, dass die Mikrochips in den 2020er-Jahren nicht mehr leistungsstärker werden können, denn die Forscher haben noch viele Tricks auf Lager. So ist es keineswegs notwendig, dass die ganze Rechenleistung auf zweidimensionalen, flachen Siliziumchips stattfinden muss. Man könnte – wie im Gehirn – auch in die dritte Dimension gehen, also beispielsweise mehrere Schichten übereinander stapeln und mit elektrischen Querverbindungen von unten nach oben versehen. Dies erfordert zwar sehr komplexe Fertigungsverfahren, aber bei reinen Speicherchips wird es bereits so gemacht, und mit einigen neuen Ideen zur Wärmereduzierung sollte es auch bei Mikroprozessoren, also den Chips zur Datenverarbeitung, funktionieren.

Nanospeicherzellen, Neurochips und Quantencomputer

Auch kann man Nanospeicherzellen einsetzen, die die Informationen nicht als elektrische Ladung, sondern beispielsweise als Änderung eines elektrischen Widerstands speichern. Solche Speicher sind viel kleiner, schneller und vor allem auch energieeffizienter als die heutigen. Sogenannte Spintronic-Elemente können Rechenvorgänge durch das Umkippen des magnetischen Moments von Elektronen vollziehen statt durch einen Stromfluss – was ebenfalls enorm Energie spart. Darüber hinaus haben Forscher in Heidelberg neuromorphe Chips entwickelt, die die Vorgänge im Gehirn direkt elektrisch nachbilden: Lernprozesse laufen in ihnen millionenfach schneller ab als bei den heutigen Supercomputern, die dem Gehirn durch Simulationen nahekommen wollen. Zudem ist ihre Energieeffizienz wesentlich besser als bei konventionellen Computern.

Und selbst wenn man mit all diesen neuen Verfahren wieder an Grenzen stoßen sollte, haben die Wissenschaftler noch weitere Ideen im Köcher, dann aber mit anderen Materialien als Silizium, das heute die Basis der meisten Computerchips ist. In den Labors entwickeln sie optische Computer, die mit Licht „rechnen“, ebenso wie Systeme, die als Bausteine den neuen Kohlenstoff-Werkstoff Graphen oder sogar die Moleküle des Erbguts nehmen. Auch Quantencomputer, die gezielt die Gesetze der Quantenphysik nutzen, werden bereits konstruiert. Während ein herkömmlicher Computer mit Bits rechnet, die entweder den Wert 0 oder 1 haben, kann im Quantencomputer ein Bit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleichzeitig 0 und 1 sein. Damit kann man dann zwar nicht mehr auf konventionelle Weise rechnen, aber man kann, wenn man es klug anstellt, Tausende oder gar Millionen von Daten gleichzeitig verarbeiten – was für die Entschlüsselung geheimer Codes oder die Erkennung von Mustern in Bildern, Tönen oder Texten ideal ist.

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