DFG-Forschungsförderung für „heiße“ Rechner an der Universität Greifswald

Informationstechnologie ist überall präsent, in leistungsfähigen kleinen Mobiltelefonen mit der Rechenleistung, die vor einigen Jahren ein Personalcomputer hatte. Informationsserver speisen unseren Informationsbedarf. Die Miniaturisierung der Mikroprozessoren geht allerdings nicht einher mit einer Verringerung der Leistungsaufnahme. Diese werden daher teilweise extrem heiß. Diese Wärme geht ungenutzt verloren. Ursache für diese Wärme sind die extrem miniaturisierten Halbleitertransistoren in den heutigen Prozessoren, die die Daten verarbeiten (22 Nanometer Technologie). Prognose für 2020 sind Größen von 5 Nanometer, dies entspricht einem Abstand von nur noch ca. 16 einzelnen Atomen.

Die Idee der Wissenschaftler aus Greifswald, Bielefeld und Gießen ist nun, die Wärmeströme zu nutzen, um damit das Auslesen, eventuell sogar Prozessieren von Information in magnetischen Speichern, sogenannten spinelektronischen Speicherelementen, zu ermöglichen. Die Wärme im Prozessor erzeugt in magnetischen Speichern Spinströme, die dafür genutzt werden könnten. In magnetischen Speicherelementen soll zukünftig eventuelle Abwärme des Prozessors genutzt werden, um Informationen zu schreiben und auszulesen.

Die Wissenschaftler werden in ihrem Projekt Spinströme mit extrem hohen Temperaturen im Labor erzeugen. Die Spinströme bzw. die Temperaturen werden durch Ultrakurzzeitlaser innerhalb von 50 Femtosekunden (Femtosekunde = 1.000.000.000.000.000ter Bruchteil einer Sekunde) generiert. Dies ist circa zehntausend mal schneller als die Taktzeiten heutiger Transistoren. An der Universität Greifswald wurden die Umbauarbeiten für das Forschungsvorhaben bereits abgeschlossen. Ein Reinraum zur Mikrostrukturierung von Elementen, sowie staubfreie, optische Labore für den Betrieb der Ultrakurzzeitlaser wurden in Betrieb genommen. Damit kann die Forschung an dem heißen Thema beginnen.

Das Forschungsgebiet, das sich mit effizienter und energiesparender Leistungsaufnahme beschäftigt, nennt sich Green Information Technology (IT). Green IT beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie Informationstechnologie ressourcenschonender werden kann. Dies betrifft die eingesetzten Materialien aber auch das Design von Prozessorstrukturen, um deren Kapazität sparsam zu nutzen und zum Beispiel Bereiche des Prozessors im Stand-by-Betrieb auszuschalten. Es werden neue Konzepte der Integration von Speichern mit verringertem Energieaufwand zum Schreiben der Daten entwickelt. Insbesondere die Abwärme bei großen Rechenzentren und Datenservern (Cloud Computing) ist mittlerweile bei dem stetig wachsenden Datenaufkommen ein großes Problem. Es wird geschätzt, dass diese mittlerweile für zwei bis drei Prozent der CO2  Emissionen weltweit verantwortlich sind. Der Energieverbrauch für unsere moderne Datenkommunikation (Rechenzentren, Server, Computer, Tablets, Smartphones usw.) lag 2008 in Deutschland bei 10.1 Terawattstunden (TWh): Dies entspricht vier mittelgroßen Kohlekraftwerken, die ausschließlich dafür zur Verfügung stehen müssen.

Weitere Informationen

 * Spinkaloritronik ist ein Kunstwort aus Kalorik und Spinelektronik. Das Gebiet verbindet die Kalorik, Speicherung von Wärme, mit der Spinelektronik, neuartiger Elektronik basierend auf magnetischen Bauteilen.                    

Prof. Dr. Markus Münzenberg ist seit April des Jahres am Institut für Physik der Universität Greifswald, nach Stationen am Mass. Institut of Technology (MIT) und der Universität Göttingen.

Grenz- und Oberflächenphysik AG_Münzenberg

Prof. Dr. Markus Münzenberg

Foto: Oliver Böhm

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