Chip-Innovationen werden Immer kleiner und leistungsfähiger
Computerchips sind das Fundament unserer digitalen Welt. Kein Smartphone, kein Computer, kein Auto und keine Fernbedienung kommen ohne sie aus. Und eines gar nicht so fernen Tages wird man sie wahrscheinlich auch in unserem Kopf verbauen.
Vor allem die Künstliche Intelligenz (KI) fordert die Nachfrage nach mehr Rechenleistung auf engstem Raum. Dabei stoßen die Chip-Hersteller an physikalische Grenzen. Europäische Start-ups und Universitäten forschen an Chip-Innovationen, um den wachsenden Hunger nach Rechenleistung zu stillen.
Anno 1971 brachte das Chip-Unternehmen »Intel« mit seinem »4004« den ersten kommerziell erfolgreichen Mikrochip auf den Markt. Damals war er eine Sensation, heute hingegen wirkt der drei-mal-vier Millimeter große Rechenchip klobig. Und vor allem untermotorisiert: Sie brachten gerade einmal 2.300 Transistoren – unvorstellbar viel für damals, lächerlich wenig für heute.
Transistoren bilden bis heute das Herzstück eines jeden Computer-Chips. Winzige Schalter, die zwischen an und aus, zwischen Null und Eins hin und her schalten. Diese Schalter legen das Fundament unserer digitalen Welt. Je mehr Transistoren – desto leistungsfähiger der Chip.: Und die weltweite Nachfrage nach Rechenleistung und Datenspeicherung explodiert.
Seit Jahren beschäftigt die Chip-Branche vor allem eine Frage: Wie viele dieser Transistoren passen noch auf einen Chip? Über die Jahrzehnte wurden Transistoren immer kleiner, sodass sie heute nur noch aus einer Handvoll von Atomen bestehen. Heute sind diese Schalter dünner als ein menschliches Haar, kleiner als ein rotes Blutkörperchen und versehen mit kilometerlangen Verdrahtungen. Ein winziger Schalter – 500.000-mal kleiner als ein Millimeter – der inzwischen absolut unersetzlich für unser tägliches Leben geworden ist. Auf einem Quadratmillimeter können 200 Millionen Transistoren Platz finden, auf einem Chip sogar mehrere zehn Milliarden
Doch in naher Zukunft erreicht dieser Schrumpf-Versuch der Halbleiter-Wissenschaft seine physikalische Grenze.
Aktuell nutzen wir Chip-Technologien wie zum Beispiel »CPUs – also Central Processing Units« für Computern und Smartphones. Die alternative Technologie der GPUs – Grafics Processing Units – auch Grafikkarten genannt, wurden ursprünglich für Bilder, Videoinhalte und 3D-Grafiken für Computerbildschirme entwickelt. Chip-Hersteller »Nvidia« machte sich mit diesen Chips einen Namen und reitet aktuell die Nachfragewelle nach KI-Chips. Denn diese Grafikkarten haben den Vorteil, dass sie parallele Aufgaben ausführen und viele Aufgaben gleichzeitige durchführen können — und genau das braucht eine KI, damit sie effizient arbeiten kann.
Für KI erwiesen sich Grafik-Chips als derzeit beste Lösung, GPUs sind die Notlösung für KI-Algorithmen. Denn momentan gibt es einfach keine neuen Ansätze für KI-Chips. Was es gibt, ist viel Forschung und Innovationen. Obwohl bereits jeder Nanometer auf deinem Chip mit Schaltern vollgepackt wird, gibt es doch noch immer ungenutzten Platz, und zwar in der Höhe. Daran forscht »Semron«. Das Dresdner Start-up entwickelte Chips, die KI direkt auf Endgeräte wie Smartphones und Kopfhörer bringt. So können Daten auf den Geräten lokal verarbeitet werden, was besonders bei sensiblen Informationen einen Vorteil bietet. Damit die Chips aber leistungsfähig genug werden, müssen die Chips möglichst klein, kompakt, kostengünstig und energieeffizient ausfallen
Mitgründer Aron Kirschen ist klar, dass es nicht ausreicht, drei, vier oder auch fünf Chips übereinander in ein Gehäuse zu packen. Die fünffache Leistung verbunden mit den Kosten für fünf Chips hilft nicht, wenn ein 1000-faches der aktuellen Performance notwendig ist. Stattdessen plant Semron, schon während des Herstellungsprozesses mehrere Chiplagen übereinander aufzubringen. Die patentierte Halbleiter-Technologie „CapRAM“ erlaube es so, KI-Modelle lokal zu verarbeiten. Bei Speicherchips, wie wir sie von Smartphones kennen, funktioniert das auch schon. Bis zu 200 Lagen von Speichern befinden sich auf Chips in unseren Handys. Bei Prozessoren – also den Rechnern eines Chips – erweist sich diese Technik als schwieriger. Zum einen, weil die Transistoren nicht so leicht übereinander zu stapeln sind. Und zum anderen, weil diese Konstruktion mehr Energie benötigt und bei höherer Energiedichte der Chip zu verglühen droht. »Semron« rühmt sich, dieses Problem gelöst zu haben. Nun steht das Team vor allem vor der Herausforderung, dass die Chiphersteller den patentierten Herstellungsprozess auch umsetzen und die Chips in großer Charge produzieren. Die Idee allein reicht aber nicht aus, um den immer größer werdenden Hunger nach Rechenleistung zu stillen. Denn die Chips müssen auch produziert werden – und das geschieht nicht in Deutschland und auch nicht in Europa. Es ist vergleichbar mit der industriellen Revolution vor 150 Jahren.
