Seite 2: Logische Schaltung aus Magneten

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Und so funktioniert es: Drei der äußeren Magnete bestimmen die Ausrichtung des Mittleren – je nachdem, welche Polarität diese besitzen. "Dabei ist zu beachten, ob die Magnete ferromagnetisch oder antiferromagnetisch koppeln," erläutert Projektleiterin Imre. "Liegen die Dipole hintereinander, zeigen sie wie beim Ferromagneten stets in die gleiche Richtung, sind sie nebeneinander angeordnet, wechselt sich deren Polaritäten ab. Deswegen wirken die äußeren Magnete unterschiedlich auf das zentrale Element."

Das Dreierkombo fungiert als Input. Deren Polarität können die Wissenschaftler von außen steuern. Zeigt der Nordpol des mittleren Magnet, der die Recheneinheit darstellt, nach oben, so interpretieren die Experimentatoren dies als Zustand Eins, umgekehrt als Null. Das fünfte und letzte Element bildet den Output. Es steht stets antiparallel zur benachbarten, zentralen Recheneinheit und sorgt somit für eine Negation des Ergebnisses.

Mit dem Fünfergespann können die Experimentatoren nun unterschiedliche logische Schaltungen simulieren. Wird beispielsweise der links neben dem Zentrum stehende Magnet durch äußeres Einwirken fortwährend auf den Wert "1" gesetzt, so dass der Nordpol immer nach oben weißt, dann funktioniert diese Konfiguration wie ein so genanntes NAND-Gatter: Es liefert stets den Wert "1", es sei denn die anderen beiden Inputs geben ebenfalls diesen Wert vor. Wird der linke Schaltmagnet dagegen dauerhaft auf den Wert "0" gezwungen, zeigt der Nordpol also nach unten, arbeitet das Kollektiv als NOR-Gatter: Der Output ist stets Null, es sei denn, alle Input-Werte stehen gleichfalls auf Null.

Weiterleiten lässt sich die so gewonnene Information ebenfalls mit gleichartigen Dipolen, die dazu in einer Linie angebracht sein müssen und deren Nord- oder Südpole jeweils wechselweise nach oben oder nach unten -- also antiferromagnetisch -- angeordnet sind. Klappt ein Schaltvorgang das erste Glied einer solchen Kette um, ändert in der Folge ein Dipol nach dem anderen seine Polarität. Auslesen lässt sich das Ergebnis mit einer ähnlichen Technik, die heute bereits bei so genannten Magneto-resistive Random Access Memorys, kurz MRAMs, benutzt wird. Das sind neuartige Computerspeicher-Bausteine, die den Vorteil haben, dass ihre Daten auch dann nicht verloren gehen, wenn dem Rechner mal der Strom abhanden kommt.

Neben der Möglichkeit, mit dieser Technik sehr kompakte und stromsparende Rechner bauen zu können, verweisen die Wissenschaftler auf einen weiteren Vorteil: Prinzipiell lassen sich alle Einheiten relativ problemlos neu konfigurieren -- im Gegensatz zu den fest vorkonfigurierten Transistoren. Halten die Computerfachleute für eine Rechenaufgabe beispielsweise verschiedene Elemente auf einen fest vorgegebenen Wert, um Schaltungen als NANDs oder NORs zu nutzen, können sie die Dipole für andere Rechenaufgaben neu ansteuern, so dass nun ganz andere Schaltelemente als NANDs oder NORs fungieren. Doch das ist noch Zukunftsmusik. "Zunächst werden derartige, magnetische arbeitende Einheiten wohl in herkömmliche Bausteine integriert", glaubt Csaba. Wann das der Fall sein wird, darüber möchte er nicht spekulieren. "Wir wollten vorläufig zeigen, dass die Technik funktioniert. Nun gilt es, ein robustes Herstellungsverfahren zu entwickeln und die Einheiten zu noch komplexeren Einheiten zusammenzufügen," meint er.

Ganz abwegig ist die Idee mit dem Rechnen mit Nord- und Südpolen nicht. Magnetische Materialien haben in der Informationsverarbeitung eine lange Tradition. Vorwiegend werden sie zur Datenspeicherung herangezogen. Pioniere der ersten Stunden können sich sicherlich noch an die schweren Spulen kilometerlanger Magnetbänder erinnern. Abgelöst wurden sie mittlerweile von Festplatten, auf denen Daten ebenfalls magnetisch abgelegt werden.

Solcherlei Bauteile haben den Vorzug, dass für die Informationsverarbeitung kaum Ströme fließen. Sie werden also nicht so schnell heiß, ein Phänomen, vor dem viele Chiphersteller stehen: Wegen der kompakten Bauweise müssen sie viel Schweiß und Einfallsreichtum darin investieren, die im Prozessor entstehende Abwärme mit Ventilatoren oder komplexen Kühlsystemen abzuführen. Wie gravierend das Problem ist, merkt jeder, der seinen Laptop einige Stunden auf den Beinen hatte. Das magnetische Umschalten von Datenpunkten bedarf dagegen weit weniger Energie.

Von Gerhard Samulat (wst)