Kohlenstoff-Nanoröhren in Mikrochips besser als Kupferdrähte

Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) haben festgestellt, dass Kohlenstoff-Nanoröhren für Interconnects (elektrische Verbindungen in Mikrochips) besser geeignet sind als Kupferdrähte. Der elektrische Widerstand ist deutlich geringer. Das ist das Ergebnis von Computersimulationen, die erstmals quantenmechanische Effekte in Nanodrähten aus Kupfer berücksichtigt haben. Die Forscher geben sich überzeugt, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren die Nachfolger für Kupferdrähte in Mikrochips werden. Die Technologie müsse aber noch weiter erforscht werden, um bestehende Probleme zu lösen.

Eine klassische Betrachtung von Leitermaterialien erscheint den Forscherm bei immer kleiner werdenden Strukturen in Mikrochips nicht ausreichend. „Auf Nanoskalen verhalten sich Objekte nicht so, wie im makroskopischen Bereich“, erklärt Teamleiter Saroj Nayak, Physiker am RPI. Aus diesem Grund haben die Forscher quantenmechanische Computermodelle erstellt, um die Charakteristiken von Kupferdrähten und Bündeln aus Kohlenstoff-Nanoröhren zu vergleichen. Über mehrere Monate wurden Simulationen am Supercomputer des Computational Center for Nanotechnology Innovations des RPI durchgeführt. Dieses IBM-BlueGene-System belegt aktuell Platz zwölf der Liste der Top 500 Supercomputer und ist das weltweit leistungsstärkste Computersystem einer Einzeluniversität.

Ergebnis der umfangreichen Simulationen war, dass Kohlenstoff-Nanoröhren-Bündel im Vergleich zu Kupferdrähten einen deutlich geringeren elektrischen Widerstand bieten. Damit erscheinen sie als Material für Interconnects gut geeignet. „Angesichts der gesammelten Daten denken wir, dass Kohlenstoff-Nanoröhren bei 45 Nanometern bessere Leistung bieten werden als Kupferdrähte“, meint Nayak. Damit bezieht er sich auf jene Strukturgröße, auf die aktuell von der Chip-Industrie für den CPU-Massenmarkt gesetzt wird. Sowohl Intel als auch AMD fertigen inzwischen Prozessoren in 45-Nanometer-Technologie. Sie ist der jüngste Schritt im Miniaturisierungs-Wettlauf der Computerindustrie.

Doch eine weitere Miniaturisierung von Mikrochips werde mittelfristig an Kupfer als Interconnect-Material scheitern, meinen Forscher. „Kupferdraht-Interconnects schränken die Leistung integrierter Silizium-Schaltkreise erheblich ein“, erklärte etwa Dries Van Thourhout von der Universität Gent gegenüber dem EU-Service ICT Results. „Es ist schwer, Daten über diese Verbindungen auf eine ausreichend schnelle, energieeffiziente Weise zu übertragen. Es ist ein Problem der Bandbreite und Kupfer wird für die Verarbeitungsleistung der zukünftigen Mikrochips nicht ausreichen.“ Innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre müsse ein guter Ersatz für Kupfer gefunden werden, heißt es vom RPI.

Dieser Ersatz können Kohlenstoff-Nanoröhren sein, sind die dortigen Forscher angesichts ihrer Ergebnisse, die im März im Journal of Physics: Condensed Matter veröffentlicht werden, überzeugt. Allerdings müssten noch Probleme gelöst werden, wie etwa die Frage der kosteneffizienten Massenproduktion oder die Züchtung von Kohlenstoff-Nanoröhren, die wirklich rein metallische Eigenschaften aufweisen. Der Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhren als Interconnects wird auch von anderen Gruppen erforscht, etwa in Stanford http://www.stanford.edu oder bei Infineon http://www.infineon.com . Ein anderer denkbarer Ansatz sind optische Interconnects, woran etwa an der Universität Gent gearbeitet wird.