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Neue Ideen für mehr Rechenleistung

Neue Ideen für mehr Rechenleistung

Unsere Computer werden immer leistungsfähiger. Ermöglicht hat den technischen Fortschritt bisher die Miniaturisierung ihrer Schaltkreise. Doch dabei sind die physikalischen Grenze bald erreicht. Deshalb sollen neue Konzepte für mehr Rechenleistung sorgen. Dazu gehören zum Beispiel der Quantencomputer und sogenannte neuromorphe Rechner.

Auf das Moore'sche Gesetz war Jahrzehnte lang Verlass. 1965 sagte der amerikanische Ingenieur und spätere Gründer des Unternehmens Intel , Gordon Moore, voraus, dass sich die Zahl der Schaltkreise in den Computerchips alle ein bis zwei Jahre verdoppeln werde. Die Vorhersage erwies sich als erstaunlich treffsicher. Doch es war auch klar, dass dies aus physikalischen Gründen so nicht ewig weitergehen kann.

Wenn immer mehr Transistoren auf einem Chip untergebracht werden sollen, müssen die Schaltkreise immer kleiner werden. Lagen die Abmessungen vor zehn Jahren noch bei 65 Nanometern (Millionstel Millimeter), so liegt diese sogenannte Strukturbreite heute bei 14 Nanometern. Im nächsten Schritt peilt Intel nun zehn Nanometer an. Die technischen Hürden werden immer höher, je kleiner die Transistoren werden, denn im Nanometerbereich sind die Strukturen nur wenige Dutzend Atome groß.

Außerdem würden Prozessor und die Software immer komplexer, sodass weitere Leistungssteigerungen eine Herausforderung seien, erläuterte Joshua Fryman, Forschungsingenieur bei Intel , auf einer Computerkonferenz in Frankfurt . Computerexperten diskutierten dort, was nach dem Moore'schen Gesetz kommt. "Das derzeitige Limit dürfte bei Strukturbreiten von zehn bis zwölf Nanometern liegen", sagte John Shalf vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. "Wir haben da nichts mehr in petto." Dem mochte Fryman nur in Teilen zustimmen. Er ist optimistisch, die Leitungsfähigkeit der Chips weiter verbessern zu können, auch wenn man nicht wie bisher immer mehr Transistoren auf eine Fläche packen kann.

Zwei Technologien könnten dem klassischen Rechner Konkurrenz machen: der Quantencomputer und sogenannte neuromorphe Computer . Beide Technologien stecken in den Kinderschuhen, Fachleute knüpfen trotzdem große Hoffnungen daran. Beim Quantencomputer werden quantenphysikalische Prinzipien genutzt, Berechnungen parallel und dadurch äußerst schnell auszuführen. Die Basiseinheiten sind die sogenannten Quantenbits (Qubits), die Forscher in rund einem halben Dutzend verschiedenen Techniken realisieren. Dazu zählen so exotische Konzepte wie die Atomfalle, und supraleitende Schaltkreise und andere physikalische Phänomene, berichtete Damian Steiger von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. Die Techniken sind schwer zu beherrschen, bislang sind Quantencomputer bis maximal 20 Qubits realisiert. Für einen leistungsfähigen Rechner bräuchte man rund 1000 davon. Ob das zu schaffen ist, darüber gehen die Meinungen auseinander.

Quantencomputer machen wegen ihrer besonderen Fähigkeiten derzeit vor allem Informatikern Sorge, die sich mit Verschlüsselungstechnologien befassen. Geheimdienste befördern dagegen diese Forschung. Theoretisch wäre es mit diesen Rechnern möglich, einen verschlüsselten Text, den zu dechiffrieren ein klassischer Computer 100 Jahre braucht, in nur zehn Stunden zu knacken, rechnet Steiger vor.

Der Computerexperte schränkt aber auch ein: Quantencomputer können nur dann ihren Vorteil extremer Rechenleistung ausspielen, wenn es für sie passende Algorithmen gibt. Das ist aber nur bei einer Handvoll Fälle so. Das Dechiffrieren, das Sortieren und Durchsuchen großer Datenmengen gehören beispielsweise dazu. "Existiert kein Algorithmus, so ist der Quantencomputer auch nicht schneller als ein klassischer Computer ", sagte Steiger.

Klassische Computer sind gemessen an der Effizienz unseres Gehirns wahre Energieverschwender. "Unser Gehirn verbraucht im Schnitt nur 20 Watt. Eine Banane am Tag reicht", sagte Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg. Der Physiker entwickelt sogenannte neuromorphe Computer . "Wir wollen Aspekte der Struktur und Funktion des Gehirns für elektronische Schaltkreise nutzen", sagte der Forscher.

Im Fokus stehen dabei die Speicherzellen des Gehirns, die Neuronen, und ihre Verbindungen, die Synapsen. Das menschliche Gehirn hat über hundert Milliarden Neuronen und noch mehr Synapsen. Zwar ist der Computer in Sachen Arithmetik klar überlegen, in der Bild- und Mustererkennung schneidet das Gehirn aber viel besser ab. Das einzelne Neuron rechnet nicht digital, sondern sammelt die elektrischen Signale verbundener Neuronen bis eine Schwelle überschritten ist. Erst dann wird das Neuron selbst aktiv.

Auf Basis kleiner Schaltkreise, die jeweils ein Neuron simulieren, hat das Team um Karlheinz Meier vor Kurzem einen neuronalen Chip vorgestellt, der 200 000 Neuronen und 50 Millionen Synapsen umfasst. Damit sollen zum Beispiel lernfähige Systeme entwickelt werden, die zur Mustererkennung eingesetzt werden können. Karlheinz Meier geht davon aus, dass neuromorphe Computer den klassischen PC nicht ersetzen werden. Eher sei es denkbar, dass in Zukunft neben einem klassischen Chip auch ein zweiter, neuromorpher Chip für Spezialzwecke zum Einsatz kommt.