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1 PHz sind das Limit für die Schaltgeschwindigkeit von Transistoren

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ibmqubitcpu100bVor allem bei den Prozessoren ist der Takt ein Merkmal, auf das viele Nutzer und auch wir im Rahmen der Tests achten. Für das Marketing ist die Angabe einer Taktfrequenz besonders wichtig und daher verwundert es auch nicht, dass die Hersteller gerne damit werben – seien es die 5 GHz die ein Ryzen 9 6980 erreicht oder die 5,5 GHz für zwei Kerne des Core i9-12900KS.

Ein deutsch-österreichisches Physikteam der TU Graz hat nun die physikalische Grenze der Signalgeschwindigkeit in Transistoren erreicht. Wir sprechen hier aber von einer theoretischen Grenze, die in der Praxis noch lange Zeit keine Rolle spielen wird. Die fetten Jahre der Taktsteigerungen scheinen so oder so bereits seit einiger Zeit vorbei zu sein. Hinzu kommt, dass in aktuellen Prozessoren elektrisch angesteuerte Transistoren arbeiten. Die vom Forscherteam untersuchten Transistoren arbeiten hingegen optoelektrisch. Auch diese sollen zwar in Zukunft in modernen Chips verbaut werden, bis dahin wird es aber noch einige Zeit dauern.

Über einen Laserimpuls wird der Elektronenübergang des optisch angesteuerten Transistor angeregt. Im Falle eines elektrisch angesteuerten Transistors erfolgt dies über eine Spannung. Diese Laserimpulse sind genau definiert und genauer gesagt sind auch zwei Laser notwendig, um die für die Änderung des Bandabstands notwendige Spannung von 6,2 eV zu erreichen. Als Dielektrikum verwendet wurde Lithiumfluorid, welches einen Bandabstand zwischen Valenz- und erstem Leitungsband von 13,6 eV aufweist.

TU Graz optischer Transistor Taktrekord

Die Laserimpulse müssen natürlich auch so schnell sein, damit sie die maximale Frequenz abdecken können. Im Falle des von den Forschern gewählten Setups wurden 1,4 fs gemessen. Eine Femtosekunde entspricht 10-15 s. Die durch das Dieelektrikum bestimmte minimal mögliche Schaltfrequenz sollte bei 1,2 fs liegen, was 833 THz bedeuten würde. Über ein synthetisches Dieelektrikum wäre es theoretisch möglich, die Schaltfrequenz noch auf 1 PHz zu steigern. Dies entspräche dem Faktor 200.000 dessen, was Desktop-Prozessoren mit 5 GHz erreichen.

Das Forscherteam kommt zu einem eindeutigen Fazit: "Schneller als in den Untersuchungen gezeigt wurde, wird Optoelektronik vorerst nicht werden – wie nahe zukünftige Technologien an diese Grenze rankommen, steht in den Sternen."

Vor einigen Jahren hielt man es für möglich, dass Prozessoren bald 10 GHz erreicht. Doch auch selbst davon sind wir derzeit weit entfernt. Leistungsverbesserungen (IPC) werden aktuell fast ausschließlich durch Verbesserungen in der Architektur erreicht. So werden die Prozessorkerne breiter, können mehr Instruktionen parallel abarbeiten und verwenden auch Methoden wie Sprungvorhersagen, die es dem Prozessor ermöglichen, die nächsten Rechenoperationen vorherzusagen.

Welche ist die beste CPU?

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