Datenverarbeitung überall von der Arktis bis zum AGA-Ofen mit extrem niedrigem Stromverbrauch

Transistoren sind als allgegenwärtige Bestandteile von digitalen integrierten Schaltungen in jedem moder-nen elektronischen Gerät zu finden – von Smartphones über Computer bis zu industriellen Anwendungen. Moderne Elektronik arbeitet jedoch zunehmend mit Ultraniedrigstromquellen, die in Systemen mit Transis-toren nicht effizient betrieben werden können. Zudem müssen heutige Geräte auch bei extremen Um-weltbedingungen funktionieren, dort sind Transistoren nicht immer einsetzbar. Auch für autonome Kno-tenpunkte im Internet der Dinge braucht es neue Entwicklungen. Sie benötigen extrem energieeffiziente Prozessoren ohne Stromverbrauch im Standby. Und bei Elektroautos oder elektrischen Flugzeugen muss die Elektronik bei sehr hohen Temperaturen funktionieren - Ausleseschaltungen für supraleitende Quan-tenschaltreise hingegen müssen bei nahezu kryogenen Temperaturen einsetzbar sein.

Um die Grenzen von Transistoren zu überwinden, arbeiten Microchip Technology (MICROCHIP), ein führender Anbieter von eingebetteten Steuerungslösungen und X-FAB MEMS Foundry GmbH (X-FAB), ein führender Hersteller von Halbleitern im Projekt ZeroAMP zusammen. Sie entwickeln die ersten integrierten Computer auf der Basis von nanoelektromechanischen Relais. Sie sind ausgelegt auf extreme Umgebungen und sollen dereinst grossflächig zum Einsatz kommen.

Namhafte Institutionen beteiligen sich am internationalen Projekt: die University of Bristol (UNIVBRIS, Grossbritannien), das KTH Royal Institute of Technology (KTH, Schweden), die Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik GmbH (AMO, Deutschland), das Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) und die SCIPROM Sàrl (Schweiz).

Ziel des Projekts ZeroAMP ist, nanoelektromechanische Relais-basierte feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) mit integriertem nichtflüchtigem Speicher zu entwickeln. Die FPGA sollen bei Temperaturen bis zu 275 °C funktionieren, dies bei vollständig abwesenden Leckströmen und keiner Leistungsaufnahme im Standby. Dabei sollen neuartige Materialien, neue Schalterdesign und Schaltertechniken sowie fortgeschrittene 3D-Stapeltechnik für die grossflächige Integration von nanomechanischen Schaltelementen miteinander kombiniert werden. Das Projekt baut auf der richtungsweisenden Vorarbeit der Konsortialpartner im Bereich der nanoelektromechanischen Relais-basierten Datenverarbeitung auf.

Das CSEM wird unter anderem an der Optimierung von nanokristallinem Graphit mitarbeiten, das als Kontaktmaterial für mehr Zuverlässigkeit sorgt. Es wird als festes, leitfähiges Schmiermittel eingesetzt, das die Kontakte vor Verschleiss schützt. Durch die tiefen Oberflächenkräfte dieses Materials bleibt die Haftreibung gering.

Eine der grössten Herausforderungen bei nanomechanischen Relais als Kontaktschalter ist ihre Zuverlässigkeit, was sich durch mehrere Ausfallarten zeigt. Das CSEM wird eine neue Testmethode für nanomechanische Schalter einführen und eine eingehende Ursachenanalyse entwickeln, um die Zuverlässigkeit von nanomechanischen Schaltern zu erhöhen.

Das Projekt ZeroAMP soll Lösungen hervorbringen, um das volle Potenzial des Internets der Dinge auszuschöpfen, die kryogenische Quantendatenverarbeitung zu verbessern oder drahtlos Temperaturen von industriellen Prozessen aufzuzeichnen. Es birgt zudem das Potenzial, Technologien wie die Elektromobilität voranzutreiben, um weniger auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein.