Ny mikrochip kan spare 99 prosent strøm

Transistorer på sparebluss gjør det mulig å lage databrikker, såkalte mikrochips, som bruker ned til én prosent av energien sammenliknet med dagens løsninger. Slike lavenergikretser vil være billigere å produsere, trenge mindre plass og kan i tillegg gjøre datautstyret atskillig mer robust og driftssikkert enn i dag.

TESTCHIP: Bruk av lavenergikretser gjør det mulig å lage billigere, mer energigjerrige og mer robuste databrikker enn i dag, sier Snorre Aunet. Foto: Ståle Skogstad

Det mener dr. ing. Snorre Aunet ved Institutt for informatikk på Universitetet i Oslo. Sammen med Birkeland Innovasjon har han søkt patent på et konsept der kjente teknologielementer bindes sammen til en svært robust og energigjerrig mikrochip med mange anvendelsesområder.

Utvikling i ekspressfart

Aunet mener utviklingen av datakraft i fremtiden vil kreve en helt ny måte å tenke på. Ifølge Moores lov fører utviklingen til at datamaskinene fordobler ytelsen i løpet av 18 måneder. Kapasiteten øker eksponentielt. Problemet er at det samme skjer med strømforbruket og dermed varmeutviklingen. En pentium mikrochip på noen kvadratcentimeter kan bli like varm som en kokeplate.

– Mange av dagens PCer er basert på såkalt 90 nanometerteknologi. Det vil si at ledningene mellom transistorene er 3–400 ganger tynnere enn diameteren til et hårstrå, og datachipen kan inneholde flere hundre millioner transistorer. Om 10–15 år forventes det at ledningene mellom transistorene er nanostrenger som kun er et par nanometer tykke. Da vil det være plass til flere milliarder transistorer på samme areal. Problemet er at energiforbruket vil gjøre chipoverflaten like varm som solas overflate. Dette er selvfølgelig umulig å håndtere, og det er her begrensningene og utfordringene ligger, sier Aunet.

I dag er det slik at om bare én forbindelse mellom to av transistorene er ødelagt, så fungerer ikke microchipen og må byttes. Faren for feil øker dramatisk når antall transistorer øker så mye, når ledningene blir tynnere og varmeutviklingen øker.

– Vårt konsept gjør at mikrochipen vil fungere selv om enkelte av transistorene eller ledningene er ødelagte. Energibehovet blir også dramatisk redusert, chiparealet kan reduseres til omkring en tiendedel av dagens, og vi kan få samme funksjonalitet som i dag med 90 prosent færre transistorer. Dette vil også redusere produksjonskostnadene tilsvarende, sier Aunet.

STORE BESPARELSER: Databilde av brikken som Snorre Aunet nå får produsert en prototyp av i Østen. Testchipen inneholder én parallell prosessor (kvadratisk form)og én seriell prosessor (rektangulær form). Den sistnevnte har mye færre transistorer og opptar bare en brøkdel av plassen. Med den nye teknologien er de to om lag like raske.
Se større bilde

Lavenergikretser

Hemmeligheten bak disse eventyrtallene er overgang til lavenergikretser.

– I dag fungerer transistorene ved at strømmen enten er skrudd 100 prosent på eller av. Selv når strømmen er skrudd av, går det fremdeles en svak strøm gjennom kretsen, men den er bare en hundredel så sterk. Hemmeligheten er å operere transistorene ved hjelp av denne ”lekkasjestrømmen” i stedet for med full effekt, sier Aunet. Han sammenlikner det med å tenne lyset i et rom med og uten dimmer på lysbryteren. For å registrere om lyset er skrudd av eller på, er det nok at lampen så vidt gløder. Dermed vil man spare strøm.

Institutt for informatikk har ikke kommet på dette alene. Massachusetts Institute of Technology (MIT) har patentert noe liknende og gått i kompaniskap med Nokia for å utnytte teknologien i strømbesparende mobiltelefoner. Lavenergikretsen er imidlertid bare ett av tre elementer i patentet til Aunet. Kombinasjonen med de to andre er han alene om.

Seriell prosessering

Aunet har oppdaget at når transistorene opereres ved hjelp av svake ”lekkasjestrømmer” og lave spenninger, så endres også visse fysiske forutsetninger slik at man kan gå over fra parallell prosessering til seriell prosessering. Dette gir store gevinster.

En seriell prosessor er enklere og mer robust enn en parallell prosessor, men med dagens teknologi arbeider den saktere. Ved parallellprosessering lar man flere regneoperasjoner foregå samtidig for å spare tid. Ulempen er at man må bruke seks til ni ganger flere transistorer enn ved seriell prosessering. Brikkestørrelsen øker tilsvarende, og mens en seriell prosessor kan ha en langstrakt rektangulær form, vil en parallell prosessor ha en mer kvadratisk form med omkring 10 ganger så stor flate. De tar mer plass, og det blir
flere ledninger og mer kompliserte koplinger når mange slike skal pakkes sammen på en mikrochip.

– Eksperimentene viser at lavenergikretser gjør det mulig å gå over fra parallell prosessering til seriell prosessering uten at kapasiteten blir redusert. Gevinsten er at antallet transistorer kan reduseres med inntil 90 prosent. Dette gjør at kostnadene ved å produsere en chip med en bestemt ytelse reduseres tilsvarende, sier Aunet.

Økt sikkerhet

I patentet har han også lagt inn en funksjon som gjør chipen mer driftssikker. I tillegg til at en seriell prosessor i seg selv er enklere og mer robust enn en parallell, er slike rektangulære enheter lettere å binde sammen i doble eller triple systemer på en energieffektiv måte. Dersom ledningen til en transistor slutter å fungere, vil et reservesystem utføre jobben.

– Jo flere slike reservesystemer som bygges inn i chipen, desto flere feil kan oppstå før systemet slutter å virke. Slike produkter kan bli svært anvendelige på steder hvor apparaturen blir utsatt for store belastninger, som i oljeinstallasjoner på havbunnen eller andre steder hvor det er vanskelig eller kostbart å reparere systemet.

Som hånd i hanske

Aunet mener de tre elementene i patentsøknaden passer sammen som hånd i hanske. Lavenergikretser gir lavt energiforbruk, endrete fysiske lover gjør det mulig å gå over fra parallell til seriell prosessering, og seriell prosessering gjør det enklere å lage mer robuste enheter.

Etter nyttår vil han motta en testchip som nå er til fabrikasjon. Den skal han bruke til å kontrollmåle og kvalitetssikre om de teoretiske beregningene holder stikk.

Hvor stort kan dette bli?

– Jeg tror lavenergikretser har fremtiden for seg. At tunge aktører som MIT og Nokia satser på liknende løsninger i mobiltelefoner tyder på det samme, selv om teknologien fram til nå har blitt sett på som et relativt eksotisk og eksperimentelt forskningsområde, sier Snorre Aunet.

Skikkelig kinderegg

• Bruk av lavenergikretser kan redusere energiforbruket i databrikkene med inntil 99 prosent.

• Slik teknologi muliggjør overgang fra parallell til seriell prosessering uten at effektiviteten går ned. Antall transistorer vil kunne reduseres med opptil 90 prosent og brikkestørrelsen til en tiendedel.

• Seriell prosessering gjør det enklere å lage doble og triple systemer slik at mikrochipen blir mer robust.

Emneord: Teknologi, Informasjons- og kommunikasjonsteknologi, Datateknologi Av Harald Aas
Publisert 1. feb. 2012 11:55
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere