Um 2035 Quantenprozessoren mit einigen Tausend Qubits

Anna-Lena Gutberlet

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Cloud Computing und Big-Data Analysen erfordern die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Computersystemen. Iuliana Radu, Programmdirektorin für die Entwicklung von ‚Beyond CMOS‘-Halbleiter­schaltungen und Quantencomputern bei Imec, präsentiert hier ihre Überlegungen, wie diese High-Performance-Computer im Jahr 2035 aussehen könnten.

Eine mögliche Anwendung des Quanten-Computing ist die Materialforschung, etwa bei der Suche nach supraleitenden Materialien, die das Kupfer in den Rotoren von Windgeneratoren ersetzen können.
Eine mögliche Anwendung des Quanten-Computing ist die Materialforschung, etwa bei der Suche nach supraleitenden Materialien, die das Kupfer in den Rotoren von Windgeneratoren ersetzen können.
(Bild: / CC0)

Brauchen wir auch in zehn oder zwanzig Jahren immer leistungsfähigere Computerchips? Bereits heute sind unsere Smartphones in der Lage, jede App, jedes mobile Videospiel und jedes Streaming-Video absolut zufriedenstellend auszuführen. Unsere Laptops unterstützen uns perfekt am Arbeitsplatz und zu Hause.

Trotzdem ist die Antwort auf die Eingangsfrage: Ja – denn der Bedarf an High-Performance-Computing wird weiter wachsen. Auch 2035 werden wir riesige Mengen an Daten produzieren, ohne irgendetwas davon zu löschen. Man denke an die Bilder und Videos, die täglich – ganz gleich in welcher Form – auf den Social-Media-Kanälen hochgeladen werden, und an das gewaltige Datenaufkommen, das von Unternehmen wie Google, Facebook und Amazon verarbeitet wird.

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Was ist Imecs Beitrag zu dieser Zukunft des Computing?

Imec trägt aktiv zu dieser Zukunftsvision bei – mit der Entwicklung der Logik- und Speichertechnologien der nächsten Generationen.

Eine der Optionen ist die Verlängerung des Moore'schen Gesetzes ins Extrem, mit dem Skalieren der Logikschaltungen bis herab zur 5-Nanometer-Technologie und darunter. Bereits m vergangenen Jahr wurden wichtige Technologie-Durchbrüche auf der Basis mehrerer verschiedener Technologien beim Skalieren realisiert, einschließlich der EUV-Lithographie und der sequentiellen 3D-Integration.

Mit der sequentiellen 3D-Technologie ist es Imec gelungen, FinFETs mit einem Fin-Pitch von 45 nm zu stapeln. Unsere kürzlich veröffentlichten Pressemeldungen über Nanowire-FETs und GAA-Transistoren mit vertikal gestapelten Nanodrähten, sowie über komplementäre FETs, zeigen, wie Imec das Downscaling von Logikschaltungen für Nodes jenseits von 5 nm betreibt.

Außerdem erforschen wir bei Imec alternative, sogenannte ‘Beyond CMOS’ Schaltungen. Im letzten Jahr gelang uns das Aufwachsen von 2D-Materialien direkt auf die 300-mm-Wafer, sowie erfolgreiche Ansätze für neue Konzepte wie Spintronics Majority Gates.

Und schließlich entwickelt Imec auch Hardware-Plattformen, die 'Compute-in-Memory' und Quanten-Computing ermöglichen. Imec und Leti arbeiten seit 2018 gemeinsam an Lösungen für Quanten-Computing und Künstliche Intelligenz.

Mehr über Imecs CMOS- und 'Beyond CMOS' Forschung finden Sie auf der Imec-Website

www.imec-int.com

Brauchen wir „Supercomputer“ auf unseren Schreibtischen?

Wearables und „Ingestibles“ (als neue Kategorie von Körper-internen Datengeräten) werden kontinuierlich unsere Gesundheit überwachen und die dabei erhobenen Daten mit unserem individuellen genetischen Abdruck abgleichen. Hinzu kommen die großen Datenmengen neu entstehender IoT-Applikationen, etwa von autonomen Fahrzeugen, Smart Buildings und Smart Cities. Die meisten dieser Daten werden sicher in der Cloud verarbeitet und gespeichert. Doch alles das lässt sich nur durch immer leistungsfähigere Rechner- und Speicherlösungen verwirklichen.

Ein weiterer wichtiger Technologie-Treiber ist die Big-Data Analyse. Applikationen wie die Entdeckung neuer Arzneimittel und Materialien, Wettervorhersagen oder nukleare Simulationen werden auch weiterhin immer leistungsfähigere Computer benötigen, um ihre ständig wachsenden Datensätze zu bewältigen. Heute laufen diese Applikationen auf Supercomputern, in denen Hunderttausende klassischer Prozessoren parallel arbeiten, um die unterschiedlichen Aspekte eines einzigen großen Problems zu lösen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Supercomputer ist ihr geradezu gigantischer Leistungsverbrauch: Bei einem typischen Supercomputer kann er 15 bis 20 Megawatt erreichen.

Sowohl für das Cloud Computing wie für das Supercomputing brauchen wir also Lösungen, die die Rechenleistung auf eine höhere Ebene der Performance heben – und das bei möglichst geringen Energieverbrauch. Bei Imec erforschen wir dazu zahlreiche gangbare Wege, und wir versuchen realistische Vorausblicke zu entwerfen, um die industrielle Nutzung der vorgeschlagenen Lösungen zu fördern.

Neue Impulse für Innovationen

Seit mehr als 50 Jahren wird der Fortschritt in Richtung immer leistungsfähigerer Computer durch das Moore'sche Gesetz definiert. In der Halbleiterindustrie ist es zum Synonym für die kontinuierliche Kostenreduktion im Verhältnis zur Größe und den Fertigungskosten der Transistoren geworden. Alle zwei Jahre hat die Halbleiterindustrie einen neuen Technologie-Node mit mehr Transistoren bezogen auf die Chipfläche etabliert. Das hat zu immer leistungsfähigeren Logikschaltungen und Speicherbausteinen geführt. Die Kostenreduktion bei den Transistoren wurde im Wesentlichen durch die Verkleinerung ihres Footprint erzielt.

Heute allerdings erscheinen neue Technologie-Nodes weniger oft. Denn es wird immer schwieriger, den Preis pro Transistor durch die einfache geometrische Skalierung zu drücken. Neue Technologietreiber gewinnen also an Bedeutung. Somit wird die Fähigkeit, eine gewisse Logik- (oder Speicher-) Funktion mit niedrigstem Leistungsverbrauch zu produzieren, immer wichtiger. Die Notwendigkeit der Performance-Steigerung und reduzierter Leistungsverbrauch werden so zu den primären Treibern der Innovation.

High-Performance-Chips in einer Vielzahl von Ausführungen

In Zukunft wird die klassische Skalierung der Schaltungen nicht mehr der einzige Weg in Richtung höherer Performance sein. Es gibt einen klaren Trend zur steigenden Diversifikation der Hableiterbausteine und zu deren Kundenspezifizierung.

In der Vergangenheit wurde stets dieselbe Transistor-Architektur eingesetzt, um alle Funktionalitäten auf einem Chip zu realisieren. Heute existieren fünf bis sieben Transistor-Optionen an demselben Technologie-Node nebeneinander. Jede dieser Optionen hat unterschiedliche Leistungsdaten, z. B. mit spezifischen Schwellenbedingungen und Leistungsstufen. Das ermöglicht unterschiedliche Anwendungen – von Ultra-Low-Power Schaltungen im IoT-Bereich bis zum mobilen und High-Performance-Computing.

Im High-Performance-Bereich erwarten wir eine Diversifikation auf der Chip-Ebene und den zunehmenden Einsatz von mehreren kleineren Chips mit 2.5D- und 3D-Packaging. Auch stärker anwendungsspezifische CPUs werden verfügbar sein. Das führt zur Entwicklung von weiteren kundenspezifischen Chips. Wir werden sogar unterschiedliche Schaltungen integriert auf demselben Chip oder auf mehrere Chips verteilt sehen, die zusammenarbeiten. Alles das wird ermöglicht durch eine ko-optimierte Systemtechnologie.

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Unsere Erwartungen gehen dahin, dass um 2035 die Technologie-Nodes nicht nur Si-basierte Transistoren umfassen, sondern auch andere Materialien und möglicherweise stark weiterentwickelte „Beyond-CMOS“-Schaltungen, die gemeinsam mit den klassischen CMOS-basierten Lösungen integriert sind. Diese alternativen Schaltungen könnten zusammen mit den CMOS-Schaltungen für spezifische Funktionen eingesetzt werden. Imec entwickelt beispielsweise Majority Gates auf der Basis von Spintronics-Schaltungen. Sie versprechen eine Senkung des Leistungsverbrauchs um bis zu zwei Größenordnungen, allerdings nur für spezifische Logikfunktionen. Wir entwickeln außerdem Schaltungen mit 2D-Materialien im leitenden Kanal. Sie ließen sich zur extremen Skalierung oder für Transistoren im Backend implementieren.

Vor der Einführung des Quantum Computing

Manche Applikationen sind zu komplex, um sie mit klassischen Computer-Paradigmen zu bewältigen. Quanten-Computing kann hier einen Ausweg bieten. In einem Quantenrechner wird die Information im Vergleich zum klassischen Rechner in fundamental unterschiedlicher Weise verarbeitet. Traditionelle Computer operieren mit Bits – die entweder Null oder Eins sind – und die Operationen an diesen Bits werden sequentiell ausgeführt.

Quanten-Computer operieren mit Qubits, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Null, und mit gewisser Wahrscheinlichkeit auch Eins sein können. Fügt man ihre Verschränkung hinzu, was bedeutet, dass Qubits miteinander kommunizieren und im Verbund agieren, dann wächst die Anzahl der möglichen Zustände in einer Quanten-Registry mit der Zahl der Qubits nach einem quadratischen Gesetz. Dabei können die Operationen alle dieser Zustände gleichzeitig ausgeführt werden, was zu einer immensen Parallelisierbarkeit führt. Quanten-Computing verspricht die Fähigkeit zur Lösung der wirklich großen Probleme, denen die klassischen Rechner nicht gewachsen sind.

Quanten-Computing geht über die Fähigkeiten klassischer Rechner hinaus. Aber es ist nicht der Heilige Gral zur Lösung aller denkbaren Probleme. Quanten-Computer werden nur für spezielle Anwendungen Vorteile bringen, etwa bei der Lösung von Problemen mit vielen Eingangsvariablen. Ein Beispiel für eine mögliche Applikation des Quanten-Computing ist die Materialforschung, etwa bei der Suche nach supraleitenden Materialien, die das Kupfer in den Rotoren von Windgeneratoren ersetzen könnten. Die heutigen Windgeneratoren enthalten viele Tonnen von Kupfer in den Spulenwindungen ihrer Motoren. Das erhöht das Gewicht der Windräder signifikant und begrenzt die Spannweite der Rotoren. Deshalb wird in Europa viel Supercomputer-Rechenzeit in die Entdeckung neuer supraleitender Materialien investiert, um das Kupfer zu verdrängen. Diese Suche ließe sich signifikant intensivieren, wenn man einen Quantenprozessor als Baustein für Supercomputer-Systeme einsetzen könnte.

Neben der Entdeckung neuer Materialien gibt es natürlich zahllose andere nützliche Anwendungen, einschließlich der Wetter- und Klima-Modellierung, der Raumforschung, in der Grundlagenforschung, bei der Modellierung von ökonomischen und sozialen Phänomenen (in denen komplexe Differenzialgleichungen zu lösen sind), beim Machine Learning und in der Bereitstellung einer personalisierten Medizin.

Ich erwarte, dass wir bis 2035 bereits Prozessoren mit einigen Tausend Qubits haben werden, die es uns erlauben, gewisse Algorithmen und kleinere Applikationen auszuführen. In diesem Zeitrahmen wird auch die Entdeckung neuer Materialien per Quantencomputer möglich sein. Letztendlich müssen wir die wachsende Rechenleistung der Quantenverarbeitung in die existierenden Computer-Paradigmen einbetten, damit sich der erforderliche „Quantensprung“ der Performance einstellt.

Dieser Artikel ist Teil einer Spezialausgabe des Imec Magazins zum 35-Jährigen Bestehens von Imec. Zum Original-Artikel kommen Sie hier.

* Iuliana Radu ist Programmdirektorin für die Entwicklung von 'Beyond CMOS'-Halbleiterschaltungen und Quantencomputern bei Imec

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