Frostige Aussichten für Transistoren

Computerchips erzeugen viel Wärme und verbrauchen viel Energie für die Kühlung. Mit Elektronik, die bei sehr tiefen Temperaturen arbeitet, könnte der Strombedarf um bis zu 80 Prozent gesenkt werden. Wie das funktioniert, erläutert Prof. Qing-Tai Zhao im Interview.

Prof. Zhao, welche Vorteile bieten sehr tiefe Temperaturen?

Bei Temperaturen von -196 Grad Celsius oder noch kälter könnten Computerchips nicht nur schneller, sondern auch deutlich sparsamer arbeiten – wenn sie entsprechend angepasst werden. Das Cryogenic Computing ist nicht nur für Quantencomputer oder die medizinische Bildgebung interessant, auch konventionelle Computerchips könnten von einer starken Kühlung profitieren.

Wie sieht das konkret aus?

Ein Großteil des Stromverbrauchs in Computern geht auf das Konto der Transistoren. Diese winzigen Schalter benötigen eine bestimmte Spannung, um zwischen Ein und Aus zu wechseln. Diese sinkt mit abnehmender Temperatur. In der Nähe des absoluten Nullpunkts wären theoretisch nur noch wenige Millivolt nötig statt rund 1 Volt bei Raumtemperatur. Weniger Spannung bedeutet weniger Energie und Hitze. Studien zeigen, dass so Stromeinsparungen von bis zu 80 Prozent möglich wären – inklusive Aufwand für Flüssigstickstoff- oder Heliumkühlung. Allerdings kann man heutige Computerchips nicht einfach bei solchen Temperaturen betreiben.

Wieso nicht?

Das liegt an physikalischen Phänomenen wie den Band-Tail-Effekten und dem Source-Drain-Tunneling. Sie führen dazu, dass Transistoren bei extremer Kälte nicht richtig abschalten und unerwünscht Strom durchfließen lassen beziehungsweise die Schalteffizienz eines Transistors sinkt. Im Endeffekt kann die angepeilte Energieeffizienz nicht erreicht werden.

Wie kann man das verhindern?

Wir benötigen andere Materialien, etwa Halbleiter mit kleiner Bandlücke, die ein Schalten bei niedrigeren Spannungen erlauben. Gemeinsam mit Kolleg:innen aus Aachen, der Schweiz, Taiwan und Japan sowie dem taiwanesischen Chiphersteller TSMC haben wir Technologien untersucht, die in Kombination eine Art Super-Transistor für die Kälte ermöglichen könnten. Wir konnten zum Beispiel die Oberflächen und Grenzflächen innerhalb des Transistors optimieren sowie eine besonders präzise Steuerung und eine passende Steuerspannung realisieren.

Wie lautet Ihr Fazit?

Kryogene Bauelemente sind machbar. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dafür verschiedene Ansätze kombiniert werden sollten – von High-k-Dielektrika über Wrap-Gate-Architekturen bis hin zu Back-Gating. Es ist allerdings weitere Forschung notwendig.

Dieser Artikel ist Teil der effzett 2/2025. Text: Tobias Schlößer.