Ein Katapult für mehr Rechenleistung

Was ist der Vorteil, die Funktion von Prozessor und Speichermedium zu vereinen?

Gambardella: Aktuell rennen wir in eine sogenannte Speicherwand. Unsere Computerprogramme bearbeiten mehr und mehr Daten, die wir zwischen Speichereinheit und Prozessor hin und her transportieren. Ab einem gewissen Punkt ist es egal, wie schnell der Prozessor arbeitet, denn wir kommen mit dem Hin-und Her-Transport der Daten nicht nach ¨C von dem Energieaufwand des Datentransports ganz zu schweigen. Wir m?chten den Datentransport reduzieren.

Indem ein logisches Bauteil in eine Speichereinheit integriert wird?

Hrabec: Genau. In einer gemeinsamen Kollaboration der ETH Z¨¹rich und des Paul Scherrer Instituts haben wir den Prototypen einer Logik-in-Speicher Einheit gebaut. Unser Mitarbeiter Zhaochu Luo hatte einen recht k¨¹hnen Vorschlag f¨¹r ein NAND-Gatter, das ist eines der Grundbausteine der logischen Schaltung.  Wir waren begeistert zu sehen, dass es beim ersten Versuch funktionierte. Und dann konnte uns nichts mehr zur¨¹ckhalten. Wir kombinierten gleich 15 dieser NAND-Gatter zu einem Volladdierer, das ist ein komplexes Schaltnetz. Die Umsetzung des NAND-Gatters und des Volladdierers zeigen deutlich, dass wir vollfunktionst¨¹chtige Schaltungen haben und diese auch in Kaskade setzen k?nnen. Dies ist eine Grundvoraussetzung f¨¹r elektronische Logik-Einheiten.  

Was ist der Unterschied zu einem Logik-Gatter aus Transistoren?

Gambardella: Wenn man den Strom zum Transistor kappt, vergisst er seinen digitalen Status. Unsere Logik-Gatter brauchen keinen Strom, um die Ein- und Ausgabewerte zur behalten. Die Daten werden magnetisch gespeichert. Folglich sind unsere Logik-Gatter zu jedem Zeitpunkt einsatzbereit.

K?nnt Ihr uns mehr ¨¹ber den Aufbau einer solchen Logik-in-Speicher Einheit erz?hlen?

Hrabec: Unsere Daten werden in Segmenten entlang von Nano-Dr?hten gespeichert (siehe Fig.2). Diese Segmente beinhalten magnetische Dom?nen mit zwei unterschiedlich magnetischen Ausrichtungen, entsprechend den Nullen und Einsen des bin?ren Codes. Wir k?nnen nun mit Strom diese magnetischen Dom?nen entlang der Dr?hte verschieben und sie durch die Logik-Gatter dr¨¹cken. Eine spezielle Art der Spinkopplung in den Gattern bestimmt den Ausgabewert. Die Dom?nen bewegen sich mit gut 100 Metern pro Sekunde. Wenn man das runterrechnet auf die Gr?sse unserer winzigen NAND-Gatter, erreicht man die Taktfrequenz von modernen Prozessoren. In der Tat glauben wir, dass es m?glich ist, die Dom?nen noch weiter zu beschleunigen ¨C vielleicht sogar auf einen Kilometer pro Sekunde. Damit w¨¹rden wir die Taktfrequenz aller existierenden Prozessoren ¨¹bertreffen.

Welche Schritte sind f¨¹r eine erfolgreiche Marktimplementierung notwendig?

Gambardella: Das ist eine wichtige Frage. Wir ben?tigen komplement?res Fachwissen von ausserhalb unserer Gruppe, um Logik- und Speichereinheiten vollst?ndig zu integrieren.  Wir brauchen einen Lese- und Schreibkopf basierend auf dem sogenannten magnetischen Tunnelkontakt. Der Kopf muss f¨¹r die winzigen magnetischen Dom?nen klein genug sein, damit er auf der einen Seite ¨¹ber den magnetischen Spin die Daten auslesen und auf der anderen Seite zum Schreiben der Daten den magnetischen Spin manipulieren kann. Wir glauben, dass grosse Firmen wie IBM oder Samsung oder spezialisierte Technologie Inkubatoren diese Aufgabe bewerkstelligen k?nnten. Wir suchen aktiv nach Kollaborationspartnern, um diese Technologie weiterzuentwickeln.