Prozessor aus Nanoröhrchen-Transistoren – Schnell wie ein 386er aus dem Jahr 1985

Cambridge (USA) - Vor 21 Jahren schaltete an der Technischen Universität im niederländischen Delft der allererste Transistor mit einem Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Nun gelang es amerikanischen Forschern, einen ganzen Prozessor mit mehr als 14.000 Transistoren aus den winzigen, halbleitenden Nanotubes – kurz CNTs – zu fertigen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, bietet diese Technologie eine viel versprechende Alternative zum Halbleiter Silizium. Denn prinzipiell könnten in Zukunft Nanoröhrchen-Transistoren sowohl kleiner gefertigt als auch sparsamer betrieben werden.

Für ihren Prototyp-Prozessor deponierten Max Shulaker und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge Tausende von halbleitenden Nanoröhrchen ungeordnet auf einer hochreinen und glatten Unterlage. Auf diesem Röhrchen-Wirrwarr setzten sie streng symmetrisch geordnet eine Vielzahl von filigranen, metallischen Elektroden. Dabei nutzten sie lithografische Methoden, die auch bei der Fertigung von konventionellen Silizium-Prozessoren eingesetzt werden. Ein Großteil der Nanoröhrchen berühten jeweils zwei Elektroden und bildeten so halbleitende Brücken. Die nicht genutzten Röhrchen isolierten die Forscher mit einer Hülle aus Metalloxid.

Auf diese Weise entstanden tausende Transistoren, die sich entweder mit negativen (NMOS) oder mit positiven Spannungen (PMOS) von knapp zwei Volt schalten ließen. Diese Transistoren wurden auf dem Prozessor jeweils paarweise zu sogenannten Inverter-Einheiten gekoppelt. Diese Inverter bildeten die grundlegenden Schaltmodule, um eine Vielzahl von logischen Operationen durchführen zu können. Mit einem kleinen Computerprogramm, dass Shulaker und Kollegen auf ihrem Nanoröhrchen-Prozessor laufen ließen, bewiesen sie die Funktionstauglichkeit ihres Prototyps. Das Programm generierte erfolgreich folgenden Text, in dem sich der Prozessor selbst vorstellte: „Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.“

Noch erreichen solche Nanoröhrchen-Prozessoren nicht die Leistungsfähigkeit von konventionellen Silizium-Chips. Mit knapp zehn Nanoröhrchen pro Mikrometer und gut 14.000 Transistoren lässt sich der Prototyp etwa mit Intel 80386-Prozessoren aus dem Jahr 1985 vergleichen. Doch die Länge der genutzten Nanoröhrchen lässt sich prinzipiell noch drastisch von einigen hundert auf bis zu fünf Nanometer reduzieren. Zudem wollen die Forscher die Röhrchendichte auf bis zu 500 Röhrchen pro Mikrometer steigern. Im Idealfall kommt auf einen Transistor nur noch ein einziges Nanoröhrchen. Gelingen diese Schritte, lockt ein neuer Prozessor-Typ, der in Zukunft eine höhere Transistordichte bei zugleich geringerem Strombedarf als Siliziumprozessoren aufweisen könnte.