D5 Fortschrittliche moderne Elektronik

Thema

Die Elektronik entwickelt sich derzeit parallel in mehrere Richtungen. Chips für künstliche Intelligenz führen massiv parallel eine sehr spezifische und repetitive arithmetische Operation aus – Multiplikation und Akkumulation –, die die Grundlage fast aller Deep-Learning-Algorithmen bildet. Dadurch erreichen sie eine deutlich höhere Leistung und Energieeffizienz als Allzweckprozessoren mit derselben Aufgabe. Im Wesentlichen stellen sie denselben Kompromiss zwischen Flexibilität und Effizienz dar, den das FPGA-ASIC-Modell beschreibt, nur eben auf die Spitze getrieben: einen Chip, der für eine einzige Operation ausgelegt ist. Anwendungsspezifische Schaltungen, die von Grund auf für eine einzige, sehr spezifische Funktion entwickelt werden, können um Größenordnungen effizienter sein als jede programmierbare Alternative für diese Aufgabe. Allerdings erfordern sie Investitionen in Entwicklung und Fertigung, die sich erst bei sehr großen Produktionsserien lohnen. Quantencomputer nutzen Qubits, die mit supraleitenden Schaltkreisen als fundamentalen Bausteinen aufgebaut sind. Diese Schaltkreise müssen bei extrem niedrigen Temperaturen – Bruchteilen eines Grades über dem absoluten Nullpunkt – gehalten werden, um zu verhindern, dass das vom elektronischen Rauschmodell und der Quantenelektronik beschriebene thermische Rauschen unerwünschte spontane Übergänge in ihrem empfindlichen Quantenzustand verursacht.

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Halbleiterindustrie in Unternehmen aufgespalten, die Chips entwickeln, ohne eigene Fabriken zu besitzen, und spezialisierte Auftragsfertiger, die diese mit modernsten Fertigungsverfahren herstellen. Die Ausbeute eines Chips – also der Anteil funktionsfähiger Chips auf einem Wafer – sinkt mit zunehmender Chipfläche und steigender Fehlerrate des Fertigungsprozesses.

Deshalb zeigt dieses Modul, das mit Chips für einen bestimmten Anwendungsfall beginnt, dass die Elektronik nicht durch die Erfindung neuer physikalischer Gesetze voranschreitet, sondern indem die bereits etablierten Kompromisse – Effizienz versus Flexibilität, thermisches Rauschen versus Quantenstabilität, Chipfläche versus Fertigungsleistung – immer weiter ausgereizt werden.

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