Entwicklungstendenzen der Datenverarbeitungs und Übertragungstechnik

Inhaltsverzeichnis:

Verzeichnis der Abkürzungen

Abbildungsverzeichnis

1 Computertechnologie im Wandel
1.1 Themenabgrenzung
1.2. Vorgehensweise

2 Datenverarbeitungstechnik
2.1 Halbleitertechnik
2.1.1 Traditionelle Chipherstellung
2.1.2 Neue Materialien und Techniken in der Erprobung
2.1.3 Leistungsgrenzen
2.2 Quantencomputer als Nachfolger
2.2.1 Atomkerne statt Siliziumchips
2.2.2 Probleme des Verfahrens
2.3 Speichermedien
2.3.1 Magnetische Festplattentechnik
2.3.2 Holographische Speicher
2.3.3 Das TesaROM
2.3.4 Organische Speicher

3 Datenübertragungstechnik
3.1 Nutzung vorhandener Infrastrukturen
3.1.1 Telefonnetz mit Breitbandnutzung xDSL
3.1.2 Kabelnetz der Telekom
3.1.3 Stromnetz der Energieversorger (EVU)
3.2 Drahtlose Übertragungsformen
3.2.1 GPRS / UMTS
3.2.2 Richtfunkanbindung
3.2.3 Optische Freiraumübertragung
3.2.4 Satellitenkommunikation
3.2.5 Bluetooth / drahtlose LAN Applikationen

4 Bewertung der Zukunftsfähigkeit

Anhang

Literaturverzeichnis

Verzeichnis der Abkürzungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1: Aufbau eines Transistors auf einem Siliziumchip

Abbildung 2: Vergleich Bit und Qubit

Abbildung 3: Funktionsweise eines volumenholographischen Speichers

Abbildung 4: Funktionsweise eines TesaROMs

Abbildung 5: Vergleich verschiedener Übertragungsmedien

1 Computertechnologie im Wandel

Computer sind nicht mehr wegzudenken aus dem Alltag. In vielen Bereichen unterstützen sie den Menschen als Werkzeug, das ihm hilfreich zur Seite steht.^[1] Die Entwicklung in diesem Industriezweig geht rasant voran. Der erste Chip, von Jack Kilby^[2] im Jahr 1958 entwickelt, kann nicht mit heutigen Hochleistungscomputern verglichen werden. Heutige Rechnergenera- tionen stellen ein Leistungspotential dar, das den Anwender in immer mehr Bereichen

unterstützen kann.^[3] Das Zusammenspiel mit Kommunikationstechnologien eröffnet neue Möglichkeiten und Chancen der Informationsbereitstellung für den Menschen.

1.1 Themenabgrenzung

In der nun folgenden Arbeit werden die verschiedenen neuen Datenverarbeitungs- und - übertragungstechnologien kurz vorgestellt und deren Möglichkeiten und Zukunftsperspekti- ven aufgeführt, soweit möglich, erfolgt eine Darstellung der wirtschaftlichen Relevanz. Es erfolgt eine Beschränkung auf die scheinbar aussichtsreichsten Entwicklungen, die aufgrund der Leistungspotentiale absehbar sind. Das Thema lässt sich unterteilen in den Bereich Datenverarbeitungs- und -übertragungstechnik. Der Bereich Datenverarbeitungstechnik führt eine Analyse der Technologien heutiger und zukünftiger Rechnerarchitekturen durch. Die Betrachtungen richten sich auf die Kernbereiche Prozessortechnologie und Speichertechniken. Im Themenbereich Übertragungstechnik werden, ausgehend von den vorhandenen Kommunikationsinfrastrukturen, neue Nutzungsmöglichkeiten und effiziente Übertragungs- verfahren vorgestellt. Der Blickpunkt richtet sich auch auf neue Wege der Informationsübermittelung, damit beispielsweise das Problem der „letzten Meile“^[4] überwunden werden kann.

1.2. Vorgehensweise

Nach der Darstellung der traditionellen Chipherstellung und deren Entwicklungsperspektive, wird versucht darzustellen, wie Nachfolgetechnologien auf atomarer Basis aussehen könnten. Anschließend werden verschiedenen Speichermedien und deren Neuerungen vorgestellt, die man zur Sättigung steigender Informationsbedarfe benötigt. Insbesondere von Bedeutung sind Techniken der Optik im Bereich Holographie. Im Bereich der Übertragungstechnologien werden die Verfahren aufgezeigt, die es gewährleisten immer größere Datenmengen, möglichst mit hohen Datenraten, bereitzustellen. Hierbei werden leitungsgebundene und drahtlose Formen der Übertragung unterschieden.

2 Datenverarbeitungstechnik

2.1 Halbleitertechnik

2.1.1 Traditionelle Chipherstellung

Der Prozessor ist das Herzstück einer Rechenanlage. Er verarbeitet Informationen, die sich in Form von Bytes im Speicher befinden, daher auch der Name CPU.^[5] Die ersten geschichtli- chen Rechenanlagen wurden mit einer Relaisschaltungen gebaut und schon bald von elektromechanischen Konstruktionen abgelöst. Auch der Nachfolger, Elektronenröhren, konnte aufgrund der großen Abmessungen und langsamen Rechenoperationen keine lange Entwicklung nehmen. Bald wurden Schaltungen auf Mikrochips mit miniaturisierten Transistoren hergestellt. Noch heute ist diese Architekturform vorherrschend für die Chipherstellung. Die Produktion von Chips ist sehr aufwendig und die Errichtung einer Fabrikationsanlage kostet mehrere Milliarden Mark. Wenige Hersteller teilen sich diesen Markt und entwickeln immer leistungsfähigere Prozessoren.^[6] Stoffliche Grundlage der Chips ist Silizium, das zu den Halbleitern gehört. Durch Lithographieverfahren^[7], werden auf mit Fotolack beschichteten Wafern^[8], die Strukturen der Transistoren in mehreren Arbeitsgängen eingeätzt. Die Transistoren funktionieren derart, dass durch Bereiche auf den Chips entweder Strom fließt oder nicht. Auf diese Art werden die kleinsten Informationseinheiten, die Bits, dargestellt und es können Rechenoperationen ausgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit steigt, wenn durch feinere Strukturen mehr Transistoren auf einem Chip platziert werden können. Neueste Herstellungsverfahren erlauben es Bauelemente zu erstellen, die eine Transistorbreite von 0,13 Mikrometern^[9] haben. In Laboratorien bei Intel ist es durch neue Lithographieverfahren gelungen, Transistoren mit einer Breite von 0,03 Mikrometern zu erstellen.^[10] Auf heutigen Chips, z.B. der vierten Pentium Generation, findet man so ca. 42 Millionen Transistoren.^[11] Die Entwicklung in diesem Bereich geht stetig voran, man sagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle 16 Monate verdoppelt. Dies wurde schon 1965 von Gordon E. Moore^[12] vorhergesagt und wird seither als das Mooresche Gesetz bezeichnet, da es sich bis in die Gegenwart bewahrheitet hat.^[13]

2.1.2 Neue Materialien und Techniken in der Erprobung

Die Erstellung von Chips erfolgt mittels Lithographie, einem optischen Verfahren, bei dem die Strukturen auf die Siliziumteile über eine Maske eingeätzt werden. Bei immer kleineren Transistoren auf den Chips, kommt den optischen Verfahren eine steigende Bedeutung zu. Immer schwieriger wird es sein, fehlerfrei Strukturen abbilden zu können. Das Licht zum Einbrennen will man in Zukunft, mittels Heliumionenstrahl, auf die Wafer projizieren. Ein anderer Ansatz versucht mit UV-Strahlen in neue Ebenen vorzudringen.^[14] In Jena ist es versuchsweise Wissenschaftlern gelungen, durch Beschuss von Wassertropfen mit Lasern, Plasma zu erzeugen, das extrem kurzwelliges UV-Licht abstrahlt und zur Lithographie eingesetzt werden könnte. Die Umsetzung scheitert jedoch bislang noch am hohen Verschleiß des Versuchsaufbaus, sowie an der mangelnden Optik bei der Fokussierung auf den Wafer. Umsetzbare Technologien werden in den nächsten 5 bis 10 Jahren erwartet.^[15] Durch immer feinere Strukturen auf den Silizumbausteinen treten jedoch auch Probleme auf. Verbraucht z.B. ein heutiger Chip 100 Watt Strom, so wird ein Chip, der dem Moorschen Gesetz folgt, im Jahre 2008 ca. zehn Kilowatt verbrauchen. Angesichts der einhergehenden Wärmeentwick- lung auf den empfindlichen Bausteinen und dem Energiespartrend, gilt es Alternativen zu finden, die künftige Chiptechnologien leistungsfähiger machen und dabei den Energie- verbrauch senken.^[16] Wissenschaftler haben versuchsweise begonnen Chips aus Diamanten zu erstellen. Die Eigenschaften sind ein besseres Leitverhalten, sowie höhere Leistungsfähigkeit und Hitzebeständigkeit. Diese Chips würden bis zu Temperaturen von 500°C funktionieren, wohingegen Siliziumchips bei 150°C die Halbleitereigenschaft verlieren. Durch ein Niederdruckverfahren ist es gelungen dünne Schichten auf Iridium zu plazieren, so dass die Kristalle leitende Eigenschaften annehmen. Die industrielle Umsetzung könnte jedoch an den Kosten für Iridium scheitern, auch sind Verfahren der Dotierung der Chips noch ungeklärt.^[17]

2.1.3 Leistungsgrenzen

Prozessoren werden immer leistungsfähiger. Es sind jedoch physikalische Grenzen absehbar. Wenn der Trend der Miniaturisierung anhält, werden Ebenen erreicht, wo nur noch einzelne Atome in den Transistoren Schaltvorgänge auslösen. In diesen Bereichen wird es aber dann zu Quanteneffekten kommen, da sich die Atome gegenseitig beeinflussen werden und somit Berechnungen unmöglich machen. Dieses Zeitalter wird vermutlich in 15-20 Jahren erreicht werden. Dies impliziert das Ende der traditionellen Chipfertigung.^[18]

[...]

^[1] Siehe Precht, EDV-Grundwissen, 1997, S. 9.

^[2] Jack Kilby erhielt im Jahre 2000 den Nobelpreis für Physik

^[3] Siehe o.V. (WWW) / Chips an der Grenze.

^[4] Als „letzte Meile“ bezeichnet man den direkten Zugang, bzw. Anschluß, eines Kunden an einen ISP.

^[5] Siehe Gumm / Einführung in die Informatik, S.57.

^[6] Siehe Precht / Einführung in die EDV, S. 45.

^[7] Optisches Verfahren, bei dem Strukturen in das Silizium geätzt werden.

^[8] Ca. 20cm große Siliziumscheibe, die später zu einzelnen Chips zersägt wird.

^[9] Ein menschliches Haar hat zum Vergleich eine Breite von 70 Mikrometern.

^[10] Siehe Schmerer (WWW) / Halbleiterherstellung.

^[11] Siehe o.V. (WWW) / 0,03-Mikrometer Transistor.

^[12] Gordon E. Moore ist ein Gründungsmitglied der Firma Intel.

^[13] Siehe o.V. (WWW) / Chips an der Grenze.

^[14] Siehe Scharf / Lithografie, S.23.

^[15] Siehe o.V. / Abgeschossen, S.16.

^[16] Siehe Schulz / Hitzetod, S.32.

^[17] Siehe o.V. / Halbleiterforschung, S.33.

^[18] Siehe Weinfurter / Quantenphysik, S.88 ff.