Teil 1
Laut dem ECO Verband (Verband der Internetwirtschaft) hat sich allein der europäische Bedarf an Rechenleistung seit 2010 mehr als verzehnfacht [1]! Doch so rasant wie der Bedarf nach Rechenleistung steigt die Leistung der Computer-Chips nicht. Wir stehen an einem Punkt, an dem unsere heutigen Technologien langsam, aber sicher an ihre Grenzen stoßen, während die Welt digitaler wird und immer mehr Rohstoffe wie Seltene Erden nötig werden, um den Fortschritt zu stützen. Doch das ist nicht das Ende, ein technischer Durchbruch steht bevor, der zu ungeahnten Lösungen führen wird.
Der Co-Gründer des Chipherstellers Intel sagte schon vor Jahrzehnten voraus, dass sich die höchstmögliche Anzahl der zum Rechnen benötigten Transistoren auf einem Chip jährlich (je nach Quelle) mindestens verdoppeln würde. Bisher ist dies zuverlässig eingetreten. Dieses Phänomen ist als „Moore‘s Law“, benannt nach besagtem Intel-Gründer, bekannt [2]. Doch sieht man sich den Leistungssprung, also nicht den Bedarf, sondern die tatsächliche Leistungsfähigkeit von 2010 auf 2021 an, so sieht man, dass der Wert ungefähr um den Faktor 25 gestiegen ist, während er von 2000 auf 2010 noch um den Faktor 55 stieg. Die sensationelle Leistungssteigerung der Chips nimmt wieder ab.
Doch wie funktioniert ein Chip/Prozessor jetzt eigentlich?
Prozessoren sind der Kern jedes Computers. Grob gesagt, besteht ein Prozessor aus Transistoren, genauer gesagt aus MOSFET Transistoren.
Was ist ein Transistor? Einen Transistor kann man sich wie ein Ventil vorstellen: Öffnet man das Ventil, fließt Wasser durch die Leitung. Ein Transistor wird also mit einer elektrischen Spannung geöffnet und leitet Strom. Ein Transistor in unseren Computer-Chips ist ein sogenannter Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder MOSFET. Diese Transistoren bestehen aus zwei positiv dotierten Silizium Schichten, die parallel zueinander in einen negativen Grund eingebettet sind, zwischen diesen wird ein elektrischer Kontakt aufgetragen, das sogenannte Gate. Liegt eine Spannung auf dem Gate an, kann Strom von der einen zur anderen Bahn fließen. Diese unglaublich kleinen Bauteile werden mit chemischen und Laserverfahren hergestellt, die Transistoren selbst bestehen aus Silicium, das an bestimmten Stellen mit z.B Aluminium oder Phosphor verunreinigt wird, um Schichten positiv oder negativ zu dotieren.
Jeder Transistor hat entweder einen Zustand „an“ oder „aus“ bzw. „1“ oder „0“, mit diesen Werten rechnet ein Prozessor. Je mehr Transistoren also auf einem Chip sind, desto mehr kann der Prozessor berechnen. Möglichst viele, immer kleinere Transistoren auf einem Chip zu haben, bringt nicht nur den Vorteil, dass der Chip bei weniger Platz und Material mehr rechnen kann, durch die kürzeren Distanzen zwischen den Transistoren nimmt auch die Rechengeschwindigkeit zu. [3]
Doch genau dieses Verfahren stößt langsam an seine Grenze, denn je feiner das Fertigungsverfahren wird, desto fehleranfälliger wird es. Kein Computer-Chip, der aus der Fabrik kommt, ist perfekt, ein paar tausend der Milliarden an Transistoren sind vielleicht beschädigt, doch die schiere Masse an Transistoren gleicht dies wieder aus. Doch irgendwann lassen sich die Fehler nicht mehr durch mehr Transistoren ausgleichen und das System kann nicht arbeiten. Dieser Punkt ist laut aktueller Forschung für die auf Silicium basierten Transistoren bald erreicht, laut Stand der Technik liegt die Grenze bei 5 Nanometern, das ist 15.000-mal kleiner als ein menschliches Haar! [4] Gehalten wird der Rekord im Moment von einem Apple Prozessor. [5]
Der Bedarf an Rechenleistung wird mit der weiter fortschreitenden Technologisierung der Menschheit immer weiter steigen, so auch der Bedarf nach Rohstoffen für die Chipherstellung. Wenn nicht bald etwas passiert, dann kommen wir an den kritischen Punkt, die Probleme würden unlösbar werden und die Prozessorherstellung zu einem gefräßigen Raubtier, das uns rohstoff- und energietechnisch quasi die Haare vom Kopf fressen würde. Doch es gibt atemberaubende neue Technologien, die energie- und rohstoffeffizienter diese Aufgabe bewältigen können. Welche dies sind, darum wird es in Teil 2 gehen.
Quellen:
[1] https://www.eco.de/presse/eco-studie-rechenzentren-sind-garant-fuer-nachhaltige-digitalisierung-in-europa/
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetz#/media/Datei:Moore’s_Law_Transistor_Count_1970-2020.png
[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Kopfhaar
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count
In meiner Freizeit arbeite ich an einer Rakete und setze mich auch sonst viel mit Naturwissenschaften auseinander. Ich arbeite aber auch in der Veranstaltungstechnik an der Schule 😉 Außerdem koche ich sehr gerne und verbringe die meiste Zeit des Tages am PC.