Kleiner als ein DNA-Strang: Chinas 1-Nanometer-Transistor arbeitet wie ein Mini-Gehirn

Künstliche Intelligenz frisst Strom. Rechenzentren wachsen rasant, KI-Modelle werden größer – und mit jeder neuen Anwendung steigt der Energiebedarf. Das treibt nicht nur die Kosten für Betreiber, sondern wirkt sich auch auf Strompreise und Klimabilanz aus. Der Engpass liegt dabei oft nicht im Rechnen selbst, sondern im ständigen Verschieben von Daten zwischen Speicher und Prozessor, das viel Wärme erzeugt und enorme Mengen Strom verschlingt.

Ferroelektrische Transistoren – sogenannte FeFETs – vereinen dagegen Speichern und Rechnen in einem einzigen Bauteil. In heutigen Computern sind beide Bereiche strikt getrennt. Diese Architektur zwingt Daten ständig zwischen Speicher und Prozessor hin und her. FeFETs durchbrechen dieses Prinzip. Sie arbeiten näher an dem, was man vom menschlichen Gehirn kennt: Dort finden Verarbeitung und Gedächtnis nicht in klar getrennten Einheiten statt. Solche In-Memory-Architekturen ermöglichen es, Daten direkt am Ort der Speicherung zu verarbeiten – ein Ansatz, der besonders für große KI-Modelle als vielversprechend gilt.

1-Nanometer-Transistor senkt die Spannung drastisch

Auf diesem Konzept basiert eine neue Entwicklung aus Peking. Ein Forschungsteam stellte einen 1-Nanometer-Transistor vor, der mit nur 0,6 Volt arbeitet und Speicher sowie Logik erstmals auf nahezu gleiche Spannung bringt. Der energieintensive Datentransfer lässt sich so deutlich reduzieren.

In Science Advances bezeichnen die Forscher das Bauteil als „Nanogate“-Transistor. Laut Xinhua behebt die Technik „das Problem der Spannungsinkompatibilität zwischen Speicher und Logik“.

„Daten können nun bei gleicher Niederspannung zwischen Speicher- und Recheneinheiten übertragen werden“, erklärte Qiu Chenguang, leitender Forscher an der Peking-Universität, gemäß Xinhua. Komplexe Spannungswandler würden dadurch überflüssig und der Energieverlust deutlich sinken.

Der eigentliche Stromfresser sitzt im Datentransport

Moderne Logikchips arbeiten heute mit rund 0,7 Volt. Klassische nichtflüchtige Speicher wie NAND-Flash benötigen hingegen 5 Volt oder mehr, um Informationen zu schreiben. Auch bisherige ferroelektrische Transistoren lagen bei etwa 1,5 Volt. Dieser Unterschied zwingt Chipdesigner dazu, zusätzliche Schaltungen einzubauen, die Spannungen anheben oder absenken. Das kostet Platz auf dem Chip und vor allem Energie.

In typischen KI-Prozessoren entfallen laut Xinhua „60 bis 90 Prozent des gesamten Stromverbrauchs auf den Datentransfer – nicht auf die eigentliche Berechnung“. Der Energiehunger entsteht also vor allem durch das Hin- und Herschieben von Informationen. Wer hier spart, spart im großen Stil.

Kleiner als DNA – und elektrisch auf Augenhöhe mit Logikchips

Der neue Transistor schrumpft das sogenannte Gate – die Steuerelektrode – auf nur 1 Nanometer. Zum Vergleich: Ein DNA-Molekül ist etwa 2 Nanometer breit. Damit gehört das Bauteil zu den kleinsten jemals realisierten ferroelektrischen Transistoren.

Entscheidend ist jedoch nicht nur die Größe, sondern die elektrische Eigenschaft. Das neue Bauteil arbeitet mit einer Betriebsspannung von lediglich 0,6 Volt. Damit liegt es unterhalb der Versorgungsspannung moderner Logiktransistoren. Speicher und Recheneinheit könnten somit erstmals ohne Spannungsumwandlung direkt miteinander kommunizieren.

So bündelt das Nanogate das elektrische Feld

Das Herzstück des Transistors ist ein winziges Kohlenstoff-Nanoröhrchen, das tausendmal dünner ist als ein menschliches Haar. Diese extrem feine Struktur wirkt wie eine elektrische Lupe: Sie bündelt das elektrische Feld auf engstem Raum.

Dadurch entsteht in der ferroelektrischen Schicht ein sehr starkes, lokal konzentriertes Feld von bis zu 2,7 Millionen Volt pro Zentimeter. Entscheidend ist: Dafür genügt eine angelegte Spannung von nur 0,6 Volt. Zum Vergleich: Bei bisherigen Bauteilen musste deutlich mehr Spannung eingesetzt werden, um denselben Effekt zu erreichen.

Normalerweise braucht ein ferroelektrischer Speicher eine Spannung, die oberhalb seiner sogenannten Koerzitivspannung liegt – also jener Schwelle, bei der sich die innere elektrische Ausrichtung umkehrt. In diesem Fall funktioniert das Umschalten bereits darunter. Die Forscher geben eine Spannungseffizienz von bis zu 125 Prozent an. Herkömmliche Konzepte erreichen oft weniger als 53 Prozent.

Das bedeutet: Ein größerer Teil der eingesetzten Energie wirkt tatsächlich dort, wo sie gebraucht wird – im Material selbst – statt in Verlusten zu verpuffen.

Zehnmal weniger Energie bei hoher Geschwindigkeit

Neben der niedrigen Betriebsspannung fällt vor allem der geringe Energiebedarf auf. Der neue Transistor kommt mit etwa einem Zehntel der Energie aus, die bisherige FeFET-Bauteile benötigen. Die gemessene Schaltenergie beträgt rund 0,45 Femtajoule pro Mikrometer – also nur einen Bruchteil dessen, was viele aktuelle Speichertransistoren verbrauchen.

Ob sich diese Struktur in großen Stückzahlen und zu vertretbaren Kosten fertigen lässt, ist offen. Den Forschern zufolge ist das zugrunde liegende Prinzip jedoch universell und mit industriellen Verfahren kompatibel.

Kurz zusammengefasst:

• Ein Forschungsteam aus Peking hat einen nur 1 Nanometer großen ferroelektrischen Transistor entwickelt, der mit 0,6 Volt arbeitet – und damit erstmals auf dem Spannungsniveau moderner Logikchips liegt.
• Das neuartige „Nanogate“ bündelt das elektrische Feld so stark, dass der Transistor nur rund ein Zehntel der Energie bisheriger Speicherbauteile benötigt und dennoch extrem schnell schaltet.
• Ziel ist es, Speicher und Rechenwerk in KI-Chips direkt bei gleicher Niederspannung zu koppeln, um den besonders stromintensiven Datentransfer deutlich zu senken.

Übrigens: Während in China ein 1-Nanometer-Transistor Strom spart, zeigen Physiker in Oldenburg, dass sich Computer womöglich mit Licht statt Elektronen schalten lassen – in nur wenigen Femtosekunden. Wie der optische Transistor aus Silber und einer atomdünnen Halbleiterschicht zehntausendfach schnellere Schaltzeiten erreicht, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Unsplash