Ein Petahertz

Höchstgeschwindigkeit für Computer bestimmt

Robert Klatt

Die physikalischen Eigenschaften beschränken die Maximalgeschwindigkeit eines Prozessors auf ein Petahertz. Dies ist rund 100.000 Mal schneller als bei aktuellen CPUs.

Graz (Österreich). Moderne Prozessoren (CPUs) bestehen aus über einer Milliarde Transistoren. In den letzten Jahren hat man die Größe dieser elektronischen Bauelemente, die als winzige Schalter funktionieren, kontinuierlich verkleinert, um die Rechenleistung der Chips zu erhöhen. Diese Miniaturisierung ist jedoch ein klares Limit, denn kleiner als ein Atom kann ein solcher Schaltkreis nicht sein. Wissenschaftler der Technischen Universität Graz haben nun auf Basis dieser physikalischen Grenze die maximale Geschwindigkeit ermittelt, mit der in Mikrochips die Signalübertragung ablaufen kann.

Wie die Physiker um Martin Schultze im Fachmagazin Nature Communications erklären, liegt die Maximalgeschwindigkeit bei einem Petahertz (eine Million Gigahertz). Aktuelle CPUs arbeiten mit Taktraten im Bereich von drei bis fünf Gigahertz. Die Maximalgeschwindigkeit eines Prozessors ist also rund 100.000 Mal höher als bei aktuellen Modellen.

Hochfrequentes elektromagnetische Signal

Wie die Forscher erklären, bedeutet Geschwindigkeit im Falle eines Prozessors „hochfrequent“. „Je schneller man werden will, desto hochfrequenter muss das elektromagnetische Signal sein – und irgendwann kommen wir so in den Bereich der Lichtfrequenz, die auch als elektromagnetisches Signal verwendet werden kann“, erklärte Schultze. In der Optoelektronik wird etwa Licht verwendet, um Elektronen in einem Halbleiter anzuregen, damit diese aus ihrem isolierten Zustand in den leitenden Zustand wechseln.

Dielektrische Materialien

Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler dielektrische Materialien wie Keramik und Gläser. Bei diesen benötigt man zum Anregen deutlich mehr Energie als bei Halbleitern. Es ist somit möglich, Licht in deutlich höheren Frequenzen zu nutzen und die Datenübertragung damit signifikant zu erhöhen. Problematisch daran ist jedoch, dass dielektrische Materialien zerstört werden, wenn durch sie Strom fließt. Die Physiker mussten deshalb die Schaltfrequenz so stark verkürzen, dass das Material durch den Stromfluss keinen Schaden nimmt.

Die beschossen das Dielektrikum Lithiumfluorid mit einem ultrakurzen Laserpuls, dessen Frequenz im extremen Ultraviolett-Bereich lag. Dieser Puls regte in der Probe die Elektronen an und diese begannen sich frei im Material zu bewegen. Das Material wurde also kurzfristig zu einem elektrischen Leiter. Ein zweiter Laserpuls steuert die angeregten Elektronen dann in eine Richtung. Es floss somit Strom, der detektiert werden konnte. Diese Prozesse liegen in Atto- (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) oder Femtosekunden (eine Femtosekunde der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde) ab.

Höchstgeschwindigkeit in der Praxis

Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass „bei etwa einem Petahertz eine Obergrenze für kontrollierte optoelektronische Prozesse liegt“, erklärt Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.

Die Physiker erklären jedoch, dass es in der Praxis nicht möglich sein wird, Computer mit einer Taktfrequenz von einem Petahertz produzieren zu können. Die realistische technische Obergrenze ist laut ihnen deutlich langsamer. Ob dies neue Technologien in der Zukunft ändern werden, ist noch unklar.

Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-022-29252-1

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