Erklärt: Wie ein IIT-Durchbruch dazu beitragen kann, die Lebensdauer Ihrer elektronischen Geräte zu verlängern

Um die Effizienz und Langlebigkeit eines Gadgets zu erhöhen, müssen die verschiedenen Komponenten von Mikrochips optimal ausgelegt werden, um Verluste durch schwankende oder fehlerhafte Stromversorgung zu minimieren.

Eine Werbung für Finanzierungsmöglichkeiten steht neben Tablets, Laptops und Computern in einem Croma-Elektronik-Megastore in Mumbai (Fotograf: Vivek Prakash/Bloomberg)

Forscher von IIT-Mandi und IIT-Jodhpur behaupten, einen Durchbruch bei der Verlängerung der Lebensdauer und Leistung von elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops erzielt zu haben. Wir erklären die Bedeutung des Durchbruchs.

Was ist der Durchbruch?

Die Forscher sagen, dass elektronische Schaltkreise in modernen Geräten trotz einer Weiterentwicklung in der Natur der Mikrochips weiterhin nach Konzepten entworfen werden, die vor Jahrzehnten entwickelt wurden. Um die Effizienz und Langlebigkeit eines Gadgets zu erhöhen, müssen die verschiedenen Komponenten von Mikrochips optimal ausgelegt werden, um Verluste durch schwankende oder fehlerhafte Stromversorgung zu minimieren.

Dafür haben die Forscher ein mathematisches Werkzeug vorgeschlagen, das diese Verluste genau analysieren und zu besseren Designs beitragen kann.

Wie verschleißt die Stromversorgung ein Gerät?

Heutige Mobiltelefone und Computer verwenden eine sehr große Integrationstechnologie (VLSI), bei der viele Transistoren auf einem einzigen Silizium-Mikrochip (z. B. Mikroprozessoren und Speicherchips) eingebettet werden können. Außerdem weist ein einzelner Chip sowohl digitale als auch analoge Komponenten auf.

Solche Mikrochips werden durch eine Gleichstromversorgung gespeist, oft von einer eingebauten Batterie. Während eine solche Batterie eine niedrige Spannung haben kann (normalerweise 3,7 Volt in Mobiltelefonen), arbeiten Teile des Mikrochips mit noch niedrigeren Spannungen.

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Ein Transistor kann nur 7 Nanometer klein sein (ein menschlicher DNA-Strang ist 2,5 Nanometer breit) und benötigt eine winzige Spannung, um zu funktionieren. In einem solchen Fall können selbst geringfügige Leistungsspitzen und -schwankungen die Leistung des Mikrochips im Laufe der Zeit erheblich verschlechtern. Die Schwankungen der Stromversorgung, Netzteilrauschen genannt, entstehen durch mehrere Faktoren und gelten in elektronischen Systemen als unvermeidbar.

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Welche Bedeutung hat die Studie sonst noch?

Die Computer der ersten Generation, die in den 1940er und 50er Jahren gebaut wurden, verwendeten Vakuumröhren als grundlegende Komponenten für Speicher und Verarbeitung. Das machte sie sperrig und teuer. In den frühen 60er Jahren wurden die Vakuumröhren durch Transistoren ersetzt, eine revolutionäre Technologie, die die Computer kleiner, billiger und energieeffizienter machte.

Einige Jahre später wurden die Transistoren durch integrierte Schaltkreise oder Mikrochips ersetzt, die mehrere Transistoren auf einem einzigen Chip hatten. Schließlich wurde in den 70er Jahren die VLSI-Technologie eingeführt, die es ermöglichte, Tausende von Transistoren und anderen Elementen auf einem einzigen Siliziumchip zu integrieren.

Seitdem werden Computer immer schneller, weil die Größe der Transistoren immer kürzer wird und mehr davon auf einem einzigen Chip eingebettet werden können. Dieser Trend wurde als „Moore’s Law“ bezeichnet, benannt nach dem Intel-Mitbegründer Gordon Moore, der 1965 beobachtete, dass sich die Dichte der Transistoren auf Mikrochips alle zwei Jahre verdoppelt.

Aber dieser Fortschritt scheint an seine Grenzen gestoßen zu sein, denn die Größe von Transistoren ist bereits auf wenige Nanometer Breite geschrumpft und es wird schwierig, sie weiter zu verkleinern. In einem solchen Szenario beginnt die Elektronikindustrie, ihren Fokus von der Erhöhung der Geschwindigkeit auf die Erhöhung der Effizienz der Chips und die Verringerung ihres Stromverbrauchs zu verlagern.

Wo wurde die Studie veröffentlicht?

Die Studie mit dem Titel „An Inspection Based Method to Analyze deterministic Noise in N-Port Circuits“ wurde kürzlich im Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Open Journal of Circuits and Systems veröffentlicht. Es wurde von Hitesh Shrimali und Vijender Kumar Sharma von IIT-Mandi und Jai Narayan Tripathi von IIT-Jodhpur verfasst. Die Forschung wurde vom Ministerium für Elektronik und Informationstechnologie (MeitY) gefördert.

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