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Alternative Computing - Kernpunkte:

  • Rechnerkonzepte jenseits CMOS/Von Neumann Architektur

  • Insbesondere Quanten-Computing, molekulare Elektronik, Spintronic. Neurocomputing hingegen findet sich im Bereich Neuroinformatik.

  • Versuch, halbwegs den Überblick zu behalten. 

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Eigene publizierte Artikel zum Thema:

Stand des Nachdenkens (06.02.07)

Unter dem Stichwort „alternative computing“ geht es um Konzepte und Technologien für die Entwicklung von Rechnern und Speichermedien ausserhalb der herkömmlichen, Halbleiter-basierten und auf der Von-Neumann-Architektur basierenden Computertechnologie. Zum einen geht es also um die Sicherstellung des „Moore’schen Gesetzes“ über die Limiten dieser Technologie (Grenzen der lithographischen Auflösung, Tunnelströme über isolierende Stellen bei Computerchips, Zunahme von Fehlern, Energieverbrauch bzw. -dichte auf dem Chip). Sie schliesst zum anderen die (metaphysische?) Vermutung mit ein, Naturvorgänge als Formen von Berechnung anzusehen bzw. als solche nutzen zu wollen. Damit ist mehr gemeint als die Erfassung eines Naturvorgangs durch ein (mathematisches) Naturgesetz - eher eine saloppe Abwandlung des bekannten Galilei-Zitats zu „Das Buch der Natur ist in der Sprache der Informationswissenschaften geschrieben“.

Relevante und oft diskutierte Konzepte sind so genannte Quantencomputer und die verwandte „Spintronic“, molekulare Elektronik unter Einbezug organischer Moleküle und mit DNA-Computing als Spezialfall, das damit verbundene Design-Problem (bottom-up Konstruktionsprozesse), sowie optische Technologien bis hin zur Holographie (dazu sage ich hier nichts weiter). Rechnerkonzepte, die sich an biologischen Vorbildern orientieren (vorab an Gehirnen) sind hier nicht aufgeführt (siehe dazu den Bereich Neuroinformatik). Man könnten auch exotische Nutzung von Silizium (Silizium-Laser, Silizium-Supraleiter) unter Nutzung entsprechender Dotierungen hier nennen - wobei aber eine scharfe Grenze zur herkömmlichen Computertechnologie kaum gezogen werden kann. Nicht zuletzt deshalb, weil die alternativen Berechnungssysteme mit den herkömmlichen kompatibel sein müssen (Interface etc.) - zumal die ökonomischen Investitionen in diesen Bereich ja enorm sind und nicht leichtfertig aufgegeben würden, sollte die neue Technologie völlig anders aussehen.

Zuerst einige Bemerkungen zu Quantencomputern - dem wohl exotischsten und in den Medien am meisten erwähnte alternative Konzept. Grundidee ist die Nutzung der superpositionierten Zustände eines „Qubit“ während eines Berechnungsvorgangs, was man sich wohl als eine Form der Parallelisierung vorstellen kann. Bestimmte Aufgaben lassen sich dadurch weit schneller lösen als durch herkömmliche Rechner. Theoretisch scheint hinsichtlich Formung der Theorie (Quanteninformationstheorie) und Einsatzgebiet schon einiges klar zu sein (z.B. Primfaktorzerlegung als eine der exemplarischen Aufgaben) und der proof of concept ist ebenfalls gezeigt worden. Die Software dürfte einige (für Verkäufer) interessante Eigenschaften aufweisen, z.B. Zerstörung nach einmaligem Gebrauch - fraglich ist, ob man das dann noch Software nennen würde. Es bestehen auch bereits Ideen, wie man Quantencomputer auf Siliziumbasis bauen könnte. Kernproblem scheint derzeit aber die Skalierbarkeit der Qubits zu sein - d.h. die Sicherstellung einer grossen Zahl von Qubits in definierten Zuständen über genügend lange Zeitabstände, deren kontrollierte Interaktion im Sinn einer Berechung durch ein logisches Gate, die Sicherheit, dass die Dekohärenzzeit weit länger ist als das switching an den Gates benötigt, und auch die Sicherheit, dass die Rechnereinheit, die Qubits enthält, räumlich bewegt werden können. Die superpositionierten Zustände sind sehr diffizil und es scheint noch unklar, wie die geforderten Stabilitätseigenschaften erreicht werden können.

Die Spintronic - die Nutzung des Spins von Elektronen als Zustand, der rechner-relevante Information trägt - basiert ebenfalls auf der Quantentheorie, ist aber weit näher zur klassischen Computertechnologie und dürfte viel früher relevante praktische Anwendungen finden. In Speichermedien findet die Spintronic bereits seit der zweiten Hälfte der 1990er Jahre Anwendung. Theoretisch interessant ist Spintronic aus zwei Gründen: Der Spin bleibt auch bei abgeschaltetem Strom erhalten und man könnte die Vorgänge Berechnung, Arbeitsspeicher und Massenspeicher, die in herkömmlichen Computern räumlich getrennt sind, weit besser verzahnen und damit den Rechner effizienter machen (räumliche Ausdehnung und wohl auch Stromverbrauch). Funktionierende Prototypen von neuen Speichermedien sind bereits (2006) vorgestellt worden. Ebenso verfahren für die gezielte Manipulation des Spins - Voraussetzung für Berechnungsvorgänge. Letzteres ist aber noch Thema der Grundlagenforschung, die hier recht eng mit der Forschung über Quantencomputer selbst vernetzt ist.

Auch die molekulare Elektronik kommt nicht ohne Quantentheorie aus. Sie strebt die Entwicklung elektronischer Bauteile wie Dioden und Transistoren (als Grundlagen logischer Gates oder als Switches für Speicher) aus molekularen Bausteinen an. Die Leitung von Elektronen geschieht im Molekül gebunden, was etwa das Problem der Tunneleffekte entschärft. Mit molekularer Elektronik würde wohl der „Boden“ hinsichtlich Grösse von Bauteilen für Rechner erreicht. Der proof of concept von zentralen Bauteilen ist zwar geleistet worden. Kernproblem ist aber, wie solche Bauteile dereinst verknüpft werden sollen. Die dazu nötigen Konzepte müssen ein bottom up Verfahren (also Formen von Selbstorganisation) beinhalten - was wohl ein Grund ist, dass man sich hier auch für den Einsatz von DNA zu interessieren beginnt (auch als Speichermedium). Wichtig werden generell in der molekularen Elektronik organische Moleküle - diese sind aber auch in einem anderen Kontext relevant: der billigen Konstruktion elektronischer Komponenten.

All diese interessanten Konzepte haben eine unterschiedliche „theoretische Tiefe“ wenn es um neue Konzepte von Berechnung selbst geht. Molekulare Elektronik und wohl auch Spintronic liegen im konzeptionellen Rahmen des klassischen Rechners, Quantencomputer wohl nicht (doch die Details verstehe ich zu wenig). Man sollte die theoretische Arbeit in diese Richtung (etwa eine Antwort auf die Frage: was bedeutet Berechung in einem natürlichen System - etwa im Sinn des Stoop-Masses für Computation) nicht vernachlässigen.

 

 

 

NZZ 30.10.18

Die Schweiz ist im neuen Quanten-Flaggschiff der EU stark vertreten.

NZZ 01.06.18

Ein neuartiger Computer erreicht mit herkömmlicher Technologie beinahe die Fähigkeiten eines Quantencomputers.

NZZ 25.05.18

Neue Ansätze, die von-Neumann-Architektur auszuhebeln und Speicherung und Verarbeitung am gleichen ort zu vollbringen, gewinnen an Fahrt.

NZZ 01.12.17

Statt Quantencomputer kann man auch Quantensimulatoren bauen und damit rechnen.

NZZ 09.12.16

Kohlenstoff könnte der neue Werkstoff der Computertechnologie werden.

Horizonte 109/16

Eine Übersicht über deep learning Algorithmen

NZZ 12.11.14

Ein interessantes Gespräch über die Möglichkeiten und Grenzen des Quanten-Computing.

Unimagazin 04/13

Die aktuellen neuromorphen Chips von Giacomo Indiveri.

Chemie Extra 12/13

Beispiel eines dreidimensionalen Computerchips, bei dem die Kühlflüssigkeit gleich auch die Energieversorgung übernimmt.

Chemie Extra 11/13

Ein Bericht zur Nutzung von Neodym für magnetische Moleküle (als Schaltelemente).

Chemie Extra 03/13

Publikation zu einer Spintronic-Speichertechnik mit bis zu einem Pentabyte pro Quadratzoll

Nature 17.11.11

Übersicht über den Stand der Forschung im Bereich Nutzung von Silikon und neuen Materialien für neue Computer.

Chemie Plus 10/11

Wie man unter Nutzung von chemischen Reaktionen Berechnungen durchführen kann ("flüssige Computer").

Nature 11.08.11

Die so genannte ion-trap quantum technology als Option für den Bau von Quantencomputern.

Nature 02.06.11

Wie Noise für das Quantencomputing nutzbar gemacht werden kann. Und ein Bericht über den ersten kommerziell verfügbaren Quantencomputer (von dem man nicht wirklich weiss, wie er funktioniert).

Nature 23.12.10

Wie man den Spin eines Elektrons rasch beeinflussen kann.

EMPA News 04/10

Zur Forschung, wie man Graphen für elektronische Anwendungen strukturiert.

Nature 04.11.10

Wie man ein RAM für einen Quantencomputer bauen kann.

Chemische Rundschau 05.10.10

Wie man mit Kunststoffen Speicherchips bauen kann (Beispiel eines organischen Magnetspeichers).

Nature 30.09.10

Weiterer Schritt in Richtung Quantencomputer: ein "entanglement" von drei von vier qubits.

Chemische Rundschau 17.08.10

Stand der Dinge in der organischen Elektronik: derzeit noch nicht wettbewerbsfähig.

Nature 15.07.10

Zu den topologischen Isolatoren, der neue Hype der Festkörperphysiker.

NZZ 07.07.10

Beschreibung topologischer Isolatoren, mit denen nicht nur der Ladungsstrom, sondern auch der Spin der Elektronen kontrollieren lässt.

Nature 10.06.10

Wie man mittels nichtlinearer Quanten-Effekte ein logisches Gate für einen möglichen Quantencomputer bauen kann.

NZZ 24.02.10

Erstmals ein funktionierender Germanium-Laser (wichtig für Optoelektronik).

Nature 28.01.10

Fragen und Antworten zum Stand der Dinge im Bereich Quantencomputing.

Nature 24.12.09

Stand der Dinge in der Erforschung molekularer Transistoren.

Nature 26.11.09

Die Kontrolle des Spin im Sinn der "Spintronic" gelang bei Raumtemperatur (weiterer Schritt zur technologischen Nutzung dieses Konzeptes).

Pressetext 16.11.09

Forscher am NIST haben einen Zwei-Qubit-Prozessor gebaut.

Nature 29.10.09

Wie man den Informationsverlust in Quantensystemen vermindern kann (wichtig für Quantencomputing).

NZZ 14.10.09

Stand der Dinge in der Erzeugung gedruckter Schaltflächen, wobei vorab leitfähige Kunststoffe die "Druckfarbe" sind. Zunehmend finden aber auch Tinten mit Silizium-Nanopartikeln Anwendung.

Nature 08.10.09

Wie die Manipulation von Lichtwellen mit so genannten surface plasmons zu schnelleren Computerchips führen könnten.

Nature 16.07.09

Wie photonische Kristalle zur Kontrolle von Licht in optischen Schaltkreisen verwendet werden können.

Nature 09.07.09

Wie skaliert und kontrolliert man einen Quantencomputer? Beispiel eines möglichen Konzepts, ein 2-qubit-Prozessor.

Nature 02.07.09

Wie man Kriechströme auf den immer kleiner werdenden Chips für die Datenspeicherung nutzen könnte.

Pressetext 29.06.09

Beispiel eines Chips, der Quantenzustände zum Rechnen nutzt.

Nature 11.06.09

Langsam entwickelt sich eine Industrie um so genannte quantum dots (früher vorab für molekulare Bildgebung gebraucht, jetzt für elektronische Anwendungen attraktiv.

Nature 07.05.09

Zum Einsatz von Dünnfilm-Oxyden in der Halbleitertechnologie, was neuartige Anwendungen erlaubt (2D-Elektronengase, Supraleitung).

Chemische Rundschau 30.04.09

Zur Forschung im Bereich molekulare Elektronik: Polymerfilm-Transistoren.

Nature 05.02.09

Beispiel eines druckbaren organischen Transistors, der nicht positive Ladungen, sondern Elektronen verwendet (wichtig für die Massentauglichkeit).

NZZ 22.10.08

Bau eines art "Zellrechners": Ansteuerbare RNA-Moleküle in einer Zelle, um damit logische Funktionen auszuführen. Siehe auch Pressetext vom 18.10.08.

Chemische Rundschau 12.09.08

Zu den Verfahren und Firmen, die Schaltkreise aus organischen Molekülen drucken wollen (plus Marktschätzung).

Nature 24.07.08

Wie man auf Glas ein Layer mit logischen Gates platzieren kann (molecular computing).

Nature 19.06.08

Ein ganzes Dossier zu Quanten-Interferenz und die Möglichkeiten ihrer praktischen Nutzung ("Quanten-Internet").

Pressetext 03.06.08

Ein Verfahren zur Verbilligung der Quanten-Kryptographie (knappe Halbierung).

Nature 15.05.08

Bau eines integrierten optischen Schaltkreises als zwei-qubit-gate.

Nature 08.05.08

Wie man der so genannten Dekohärenz begegnen kann (d.h. der Instabilität von Quantenzuständen aufgrund äusserer einflüsse): ein zentraler Punkt für ein funktionierendes Quantum Computing.

Nature 17.04.08

Ein interessanter Ansatz: Nutze Quasipartikel mit gebrochenen Ladungen (<1) für Berechnungen.

Nature 27.03.08

Wie man mit carbon nanotubes spintronic machen könnte.

Nature 07.02.08

Erneut ein Update zum Quantum-Computing: wie einfache Schaltungen aussehen können. Ein zweiter Artikel thematisiert den Einsatz statistischer Physik für das Lösen NP-harter Probleme (beispiel: hitting-set-problem).

Pressemitteilung Uni Basel 31.01.08

Forscher können Elektronenspin über eine sec lang stabil halten: wichtig für spin-computing.

Pressetext 17.11.07

Kanadisches Unternehmen (D-Wave) stellt ersten kommerziellen Quantencomputer für ende 2008 in Aussicht (1024 Qbit-Rechner).

Nature 08.11.07

Update zu den Versuchen, ein Quantenrechner zu bauen: das dürfte noch dauern.

Nature 25.10.07

So genanntes cloud computing: Mit ganzen Clustern von Computern rechnen.

NZZ 29.08.07

Zum Stand der Forschung, wie man Qbits kontrollieren kann.

Pressemitteilung 30.05.07

Wie Basler Forscher einen Quantencomputer bauen wollen.

Nature 17.05.07

Wie neue Materialien in der Spintronic zum Einsatz kommen.

NZZ 28.03.07

Graphen - ein zweidimensionaler Kohlenstoffkristall gilt als neuer möglicher Träger einer post-Silizium-Elektronik.

Nature 15.03.07

Zu den Berichten, wonach eine kanadische Forma einen kommerziellen Quantencomputer anbieten würde.

Pressemitteilung 01.03.07

Wie Basler Forscher mit Graphit-Nanostrukturen einen Quantencomputer bauen wollen (als Träger von Quantenpunkten.

Pressetext 26.01.07

Beispiel eines proof of concept eines molekularen Speichers mit eine40-fach höheren Speicherdichte als die derzeit besten Speicherchips.

Nature 25.01.07

Zum Einsatz der Chemie beim Bau neuer Speicherchips (molekulare Elektronik).

Nature 07.12.06

Wie DNA verwendet werden kann, um Sequenzen von Metallatomen herzustellen. Damit lässt sich beispielsweise eine Art Nanomagnet bauen.

Nature 23.11.06

Wie man Silizium supraleitend machen kann und was das für den Bau neuer Rechner bedeuten kann.

Pressetext 05.10.06

Ein neuer Speicher: Viren mit Platin-Nanopartikel beschichten und daraus lässt sich eine bistabile Struktur herstellen. Ist interessant, weil theoretisch eine sehr hohe Speicherdichte erzeugt werden kann (aber Zugriff etc. dürfte schwierig

NZZ 20.09.06

Basler Forscher entwickelten einen Baukasten für molekulare Elektronik: d.h. erste Schritte zur Lösung des Problems, die Bauteile der molekularen Elektronik miteinander zu verbinden.

NZZ 06.09.06

Zum Stand der Dinge betreffend Spintronic.

Uni Basel 18.08.06

Neuer Schritt in Richtung Spin-Elektronik: die Kontrolle des Spins. Siehe dazu auch Nature vom 17.08.06 - das hängt zusammen mit dem Quantencomputer.

Pressetext 17.08.06

Neues Beispiel eines Ein-Atom-Transistors (wobei dieses „ein Atom“ immer mit Vorsicht genossen werden muss, das ganze drum und ranbraucht es ja auch).

Uni Nova 103/06

Übersicht über die Idee des Quantencomputers.

Pressetext 27.03.06

IBM baute einen elektronischen Schaltkreis mit einem einzigen Molekül, auf einer Carbon-Nanoröhre.

Nature 23.03.06

Übersicht über den Stand der Dinge im Quantum Computing. Und über neue Formen des Umgangs mit Daten.

Uni Basel 01.03.06

Erfolge der Basler Nanotechnologen hinsichtlich Bau von Spin-Elektronik-Bauteilen.

Nature 23.02.06

Einige theoretische Aspekte des Quantencomputers.

Nature 24.11.05

Wie man ein Qbit produzieren könnte, das man für einen Quantencomputer braucht.

Uni Basel 26.10.05

Weiterer Schritt in Richtung von Spintronic: Kontrolle eines Spins (das ist dann aber später noch mal recht ähnlich verkauft worden).

Nature 02.06.05

Zur Bedeutung der Schnittstelle zwischen verschiedenen Bauteilen der molekularen Elektronik: Wie soll hier der Elektronentransport funktionieren?

NZZ 23.03.05

Neue Ideen für einen Quantencomputer.

NZZ 13.10.04

Wie Silizium in der Optoelektronik eingesetzt werden kann.

Pressetest 09.12.03

Ein Schritt in Richtung Selbstorganisation - zentral für molekulare Elektronik.

Pressetext 30.10.03

Ein weiterer Schritt Richtung Quantencomputer, diesmal in München gemacht.

Nature 14.08.03

Diverse Reviews über optoelektronische Anwendungen.

Nature 31.07.03

Könnte man Quantencomputer mit Siliziumchips bauen?

Pressetext 30.07.03

Zum Stand der Dinge betreffend Herstellung von Transistoren aus organischen Molekülen.

NZZ 07.05.03

Zum Stand der Dinge betreffend Quantencomputer.

Nature 10.04.03

Zum Potential der Holographie für Datenspeicherung .

NZZ 26.03.03

IBM entwickelt einen Bildschirm aus organischen Molekülen.

NZZ 05.03.03

Wie man mit DNA rechnen kann.

Handelsblatt 13.01.03

Wie man auf einem DNA-Strang einen Text speichern kann.

Pressetext 25.10.02

Wie man einen Nano-Schaltkreis mittels Selbstorganisation aufbauen kann.

Bild der Wissenschaft 14.06.02

Bericht über einen Ein-Molekül-Transistor. Vergleiche dazu auch mit Nature vom 13.06.02

Pressetext 21.05.02

Wie man mit einer Nanoröhre einen Transistor bauen kann.

NZZ 27.03.02

Ein DNA-Computer konnte offenbar etwas berechnen.

NZZ 13.03.02

Die Idee der assoziativen Speicher, verknüpft mit der Quantentheorie.

Weltwoche 07.03.02

Stand der Dinge betreffend Quantencomputer.

Crutchfield 15.02.02

Einige Bemerkungen von Crutchfield über neue Formen von Computern anlässlich des AAAS Meeting.

NZZ 09.01.02

Ein Quantencomputer löste eine einfache Rechenaufgabe.

Pressetext 22.11.01

Wie man mit DNA-Computern rechnen kann: viele Schritte in einer Reaktion.

Pressetext 19.10.01

Beispiel eines Ein-Molekül-Transistors.

Nature 13.08.01

Über den Stand der Dinge betreffend Quantencomputer.

Nature 02.08.01

Zum Stand der Dinge betreffend Elektronik aus organischen Molekülen.

Nature 14.06.01

Zum Stand der Dinge betreffend Spin-Elektronik.

Pressetext 27.04.01

Zum Stand der Dinge im Bereich Bau von Transistoren mit Nanoröhren.

NZZ 14.03.01

Zum Stand der Dinge im Bereich Elektronik mit organischen Molekülen.

Pressetext 23.02.01

Bau eines molekularen Drahtes für Stromleitung in der molekularen Elektronik.

Weltwoche 18.01.01

Zum Stand der Dinge betreffend Quantencomputer.

Pressetext 25.12.00

Wie man Speicher und Prozessor in einem Chip unterbringen könnte.

Science 25.11.00

Zur Frage, welche Alternativen zur Verfügung stehen, wenn die gängige Chip-Technologie an ihre Grenze gestossen ist.

Smile 11.00

Wie man die Chemie für den Bau neuartiger chemischer Rechner brauchen kann.

Nature 28.09.00

Zur Bedeutung der organischen Moleküle für elektronische Bauteile.

Nature 31.08.00

Diverse Reviews über die Zukunft der Mikroelektronik - unter anderme mit Daten über die bisherige Miniaturisierung, die Grenzen der Lithographie, und alternative Konzepte.

Nature 13.07.00

Wie man Chemie für den Bau neuer chemischer Rechner brauchen kann.

Wired 07.00

Zu den Zukunftsaussichten der molekularen Elektronik.

NZZ 14.06.00

Über atomare Computerchips.

Nature 27.04.00

Zum Stand der Dinge betreffend Spin-Elektronik.

NZZ 23.02.00

Wie man optoelektronische Bauteile bauen kann, mittels photonischen Kristallen, welche die Ausbreitung von Licht bestimmter Wellenlänge gezielt unterdrückt.

NZZ 16.02.00

Zur Frage, wie denn die Software eines Quantencomputers aussehen könnte.

NZZ 19.01.00

Die Idee der Spintronic gewinnt an Attraktivität. Vgl. dazu auch mit Nature vom 16.12.99

Nature 13.01.00

Zum Stand der Dinge betreffend DNA-Rechner.

Nature 25.11.99

Zur Frage, wie Quantencomputer-Software aussehen könnte.

NZZ 30.06.99

Zeilingers Skizze eines Quantencomputers.

NZZ 26.05.99

Wie man mittels Supraleitung Quantenbits (Qbits) kreieren kann.

NZZ Folio 02.99

Zur Idee des Quantencomputers.

 

 

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