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Ende des Mooreschen Gesetzes Hoffnung und ein Quantum Trost

Autor / Redakteur: Lars Jaeger / M.A. Bernhard Richter

Es gilt als Grundgesetz und Wahrzeichen der digitalen Revolution: das Mooresche Gesetz. Doch nun soll diese bahnbrechende Entwicklung unseres Zeitalters vermutlich bald ihr Ende finden.

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Ein supraleitender, wärmedichter 128-Qubit-Quantenoptimierungsprozessor in einer einfachen Halterung.
Ein supraleitender, wärmedichter 128-Qubit-Quantenoptimierungsprozessor in einer einfachen Halterung.
(Bild: D-Wave Systems, Inc. / BY 3.0)

Im Jahr 1965, nur wenige Jahre nach Erfindung der integrierten elektronischen Schaltung, behauptete der Halbleiter-Pionier und spätere Mitbegründer der Firma Intel Gordon Moore, dass sich die Anzahl der Komponenten auf einem integrierten Schaltkreis pro Flächeneinheit jedes Jahr verdoppeln wird. Später modifizierte er die Zeitspanne auf zwei Jahre, und schließlich formulierte sein Intel-Kollege David House das Gesetz in seiner heutigen geläufigen Form: die Rechenleistung von Computerchips verdoppelt sich alle 18 Monate.

Über 50 Jahr lang beschrieb dieses Gesetz akkurat die Evolution des Computerchips, womit es zum Tragpfeiler des gesamten digitalen Fortschrittes wurde. Doch würde die Welt so viel anders aussehen, wenn die Verdoppelung in langsameren Schritten gekommen wäre, z.B. nur alle fünf oder zehn Jahren? Wer das fragt, versteht die mathematische Dynamik exponentiellen Wachstums nicht. So wären im Fall, dass sich die Rechenleistung der Chips seit 1965 nur alle fünf Jahre verdoppelt hätte, die heutigen Chips nur den 15 Millionstel Teil so schnell, also ungefähr so schnell wie die Chips im Jahr 1981.

Das Smartphone (eingeführt im Jahr 2007) gäbe es erst im Jahr 2104. Noch dramatischere Konsequenzen hätte eine Verdopplungszeit von 10 Jahre gehabt: Wir wären heute computertechnisch erst im Jahre 1974, und das Handy gäbe es erst im Jahre 2243. Moore selbst war sich der Tragweite „seines Gesetzes“ sehr bewusst, was ihn solche Wunderdinge wie Heimcomputer, digitale Armbanduhren, selbstlenkende Fahrzeuge und „persönliche tragbare Kommunikationsgeräte“ (also Handys und Smartphones) voraussagen ließ. Nun ist das Mooresche Gesetzt natürlich kein Naturgesetz, schon allein deshalb, weil ewiges exponentielles Wachstum jegliches Naturgesetz bricht. Es lässt sich vielmehr als ökonomisches Gesetz verstehen. Einmal formuliert und popularisiert bildete es den Rahmen der Entwicklungspläne in der Halbleiterindustrie, denen es wiederum zu verdanken ist, dass das Wachstum der Computer-Rechenleistung bislang tatsächlich exponentiell verlief. So legt die Halbleiter-Industrie seit den 1990er Jahren alle zwei Jahre einen expliziten Fahrplan vor, um die Arbeit von Hunderten von Herstellern und Zulieferern so zu koordinieren, dass das Mooresche Gesetz seine Gültigkeit behält – was es eher zu einer „sich selbst erfüllenden Prophezeiung“ als ein „Gesetz“ werden ließ.

Dabei kam den Herstellern zugute, dass die Chips bis heute so vielseitig einsetzbar waren, dass es ihrer nur sehr wenige verschiedene Arten bedurfte – hauptsächlich Prozessoren und Speicher-Chips, die sich dann in großen Mengen verkaufen ließen. Das ermöglichte es den Unternehmen, immer wieder das notwendige Kapital für die Entwicklung der nächsten Chip-Generation aufzubringen – allein Marktführer Intel investiert jährlich rund zehn Milliarden US-Dollar in Forschung und Entwicklung, wovon ein signifikanter Anteil dazu verwendet wird, das Mooresche Gesetz zu erfüllen. Doch bereits 1989 gab es erste Warnungen, dass die Bauteile zu klein wurden. Das erste Problem ist die Hitze, die unvermeidlich entsteht, wenn immer mehr Stromkreise auf immer kleinere Flächen integriert werden. Denn Elektronen, die sich immer schneller durch immer kleinere Schaltkreise bewegenden, heizen die Chips immer stärker stark auf. Doch noch grundlegender ist das zweite Problem.

Quanten bestimmen die Gesetze

Die elektronischen Strukturen erreichen unterdessen Größenordnungen von ca. 10 Nanometer. Und in ca. fünf Jahren sollen es nur noch zwei bis drei Nanometern sein. Dies entspricht der Größenordnung von ca. zehn Atomen. Spätestens dann herrschen die Gesetze der Quantenmechanik komplett über das Geschehen, und die in der Quantenwelt herrschende Unschärferelation macht das Verhalten der Elektronen und somit das der Transistoren hoffnungslos unzuverlässig – was hauptsächlich an dem dann einsetzenden „quantenmechanischen Tunnelstrom“ liegt. So sagte Moore 2007 selbst das Ende seines Gesetzes voraus und gab ihm damals noch 10 bis 15 Jahre, bis eine fundamentale physikalische Grenze erreicht sein sollte. Und dort sind wir unterdessen fast angekommen. So basiert auch der im März 2016 von der Halbleiter-Industrie vorgelegte Fahrplan für die weitere Chip-Entwicklung der nächsten Jahre erstmals nicht mehr auf dem Mooreschen Gesetz. Und in seinem letzten Jahresbericht schreibt Intel, dass sich die Firma in der Zukunft nicht mehr am Mooresche Gesetz orientieren werde. So ist wohl einer der fundamentalen Treiber des technologischen Fortschritts der letzten 50 Jahre schon bald ausgereizt, und eine bahnbrechende Entwicklung unseres Zeitalters findet sein Ende. Ist dies der Anfang vom Ende des elektronischen und digitalen Fortschritts, wie wir ihn kennen?

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