Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/1010/78944.html    Veröffentlicht: 27.10.2010 14:04    Kurz-URL: https://glm.io/78944

Tunneleffekt-Transistoren

IBM und EU wollen Standbyströme eliminieren

Bis zum Jahr 2020 sollen elektronische Geräte zehnmal energieeffizienter werden und im Standbymodus kaum noch Energie verbrauchen. So lautet das ehrgeizige Ziel des Project Steeper, an dem europäische Universitäten, IBM, Infineon und bald auch Global Foundries mit EU-Forschungsgeldern arbeiten.

Das Problem ist altbekannt und auch durch die seit Anfang 2010 geltende Stromsparverordnung der EU nicht gelöst. Nach dieser dürfen elektronische Geräte im Standby zwar maximal 2 Watt Leistung aufnehmen - oder nur 1 Watt, wenn sie keine Anzeige des Zustandes besitzen -, dennoch steigt der Strombedarf in Haushalten durch Elektronik immer weiter.

Dafür ist zum einen die zunehmende Zahl der Geräte verantwortlich, zum anderen die immer noch geringe Energieeffizienz der Elektronik. Die internationale Energiebehörde IEA schätzt, dass sich der weltweite Energiebedarf bis 2020 verdoppeln und bis 2030 verdreifachen soll. Dann würden private Haushalte 1.700 Terawattstunden benötigen, so viel wie die USA und Japan zusammen im Jahr 2009.

Eines der Kernprobleme von Elektronik ist dabei die bisher übliche Bauform von Transistoren, die unweigerlich Leckströme mit sich bringt. Bei Intel als weltgrößtem Hersteller von Halbleitern wurde dieses Problem sogar so groß, dass sich die ursprünglich angepeilten 10 GHz Taktfrequenz für den Pentium 4 nicht mehr erreichen ließen. Die Lösung brachte erst die Bauform mit High-k und Metal Gates für die Transistoren, die inzwischen viele Hersteller übernommen haben.

TFET statt MOSFET

Mit dem Project Steeper sollen die Transistoren nun gleich völlig anders konstruiert werden. Statt der heute häufigsten Bauform des MOSFET auf Basis von Silizium sollen Tunneleffekt-Transistoren (TFET) zum Einsatz kommen. Diese werden aus Silizium oder Silizium-Germanium-Verbindungen gebaut. Die Gates sind dabei um ein Nanoröhrchen angeordnet, in dem der Tunneleffekt stattfindet.

IBM und die EPFL federführend

Beim Schalten - und nicht nur in Ruhe - sollen die TFETs nur etwa 0,5 Volt benötigen. Da die Leistungsaufnahme quadratisch mit der Spannung steigt, erhoffen sich die Forscher eine rund zehnfach höhere Energieeffizienz gegenüber heutigen Schaltungen. Die Leckströme können in den Röhrchen zudem kaum noch auftreten, da die Ladung darin gefangen ist und sich kaum ausbreiten kann.

Ob daneben noch andere Probleme von ineffektiven Geräten angegangen werden sollen, ist noch nicht bekannt. Ansatzpunkte wären die bei billigen Konstruktionen mit hohen Verlusten behafteten Spannungswandler und Netzteile sowie die oft schlechte Verknüpfung von primären und sekundären Stromkreisen. Der "echte Netzschalter" ist heute bei manchen Geräten schon ein Werbeargument. Auch die Vielzahl von verschiedenen Spannungen, die ein elektronisches Gerät benötigt, tragen zu hoher Leistungsaufnahme durch teils mehrfache Wandlungen bei.

Passend zur Halloween-Saison hat IBM die Standbyleistungen, in den USA auch Vampire Power genannt, in einer Dracula-Grafik aufgeführt. Die dort genannten Werte, die von der IEA und US-Behörden stammen, erscheinen jedoch für europäische Geräte stark überzogen: Über 40 Watt braucht kaum ein TV-Receiver oder PVR im Standbymodus. Ebenso sind rund 20 Watt für einen PC - wenn denn dessen Stromsparmechanismen richtig konfiguriert sind - schon ein sehr hoher Wert.

Finanziert wird das Projekt mit 5,5 Millionen Euro von der EU sowie einer nicht genannten Investition der beteiligten Unternehmen. Die Federführung hat dabei das Zürcher Labor von IBM, Infineon beteiligt sich ebenfalls. Laut IBM will auch Global Foundries mitmachen, hat sich aber noch nicht endgültig entschieden. Die ehemalige Fertigungsabteilung von AMD entwickelt neue Halbleitertechniken von jeher eng zusammen mit IBM.

Neben IBM liegt der zweite Teil der Hauptverantwortung für Project Steeper bei der technischen Universität von Lausanne (EPFL). Seinen Namen hat das Vorhaben vom steileren (engl. steeper) Ansteigen und Fallen der Spannungen, die der TFET erreichen soll. Das Projekt läuft bereits seit Juni 2010 und soll zunächst drei Jahre fortgeführt werden. Die Umsetzung in die Serienproduktion soll danach noch einige Jahre in Anspruch nehmen.  (nie)


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