Supersparsam: Magnet-Computer statt Elektronik

Schaltkreise aus Stabmagneten: Das spart Energie. Bild: UC Berkeley, Bokor Lab

Geht es nach Physikern der University of California (UC) in Berkeley, werden Computerchips der Zukunft aus Nano-Stabmagneten statt elektronischen Elementen bestehen. Wie die Forscher im Journal Physical Review Letters zeigen, sind magnetische Schaltkreise theoretisch möglich und zudem noch extrem energieeffizient. Denn da kein Strom fließt, kommt es auch nicht zu daraus resultierenden Energieverlusten.

"Im Prinzip wäre es meiner Meinung nach möglich, echte Schaltkreise zu bauen, die am Landauer-Limit arbeiten", sagt Jeffrey Bokor, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der UC Berkeley. Das ist die theoretische Untergrenze für den Energieverbrauch einer Rechenoperation aufgrund von physikalischen Prinzipien. Er liegt eine Mio. Mal niedriger als der Verbrauch heutiger Computer.

Verlustfrei effizient

Der deutsch-amerikanische Physiker und IBM-Forscher Rolf Landauer hat 1961 aufgrund der Gesetze der Thermodynamik ein Prinzip formuliert, nach dem ein irreversibler Rechenschritt in einem Computer ein gewisses Minimum an Energie erfordert. Heutige Elektronik kommt dieser theoretische Untergrenze nicht einmal nahe, da allein der elektrische Widerstand der Elektronenbewegung in den Schaltkreisen zu viel höheren Verlustleistungen führt. "Bei einem magnetischer Computer dagegen gibt es keinerlei bewegte Elektronen", so der UC Berkeley-Doktorand Brian Lamson. Das vermeidet entsprechende Verluste.

Das Team hat sich daher in Simulationen angesehen, ob magnetische Schaltkreise wirklich funktionieren würden. Dabei haben sie Speicher- und Logikelemente betrachtet, die aus 100 Nanometer breiten und 200 Nanometer langen Stabmagneten bestehen. Die Ausrichtung der Magnetpole gibt dabei Bit-Werte wieder. Wie sich zeigte, interagieren mehrere Nanomagneten auf engem Raum tatsächlich so, dass sie sich wie ein Transistor verhalten - der Grundbaustein logischer Schaltkreise. Die für eine Operation verbrauchte Energie liegt dabei zumindest sehr nahe an der theoretischen Untergrenze.

Weiter Weg

Bis zur praktischen Umsetzung hocheffizienter Magnet-Computer ist der Weg freilich noch weit. Zum Schalten von Nanomagneten dienen bislang elektrisch induzierte Magnetfelder, was viel Energie verbraucht. Die Forscher hoffen, dass neue Materialien das überflüssig machen können. Zudem wären hocheffiziente Magnet-Schaltkreise relativ anfällig für Störungen wie zufällige thermische Effekte oder äußere elektromagnetische Felder. Bokor zufolge wird es daher eine Herausforderung darstellen, zuverlässig richtige Rechenergebnisse zu erhalten.

Dennoch ist der Forscher davon überzeugt, dass sich die Bemühungen lohnen könnten. "Wenn wir nur bis auf eine Größenordnung, einen Faktor zehn, an das Landauer-Limit herankommen, würde schon das den Energieverbrauch von Elektronik massiv reduzieren. Das wäre absolut revolutionär", betont er.

Quelle. pressetext.com / Thomas Pichler