Weißt Du, was die negative Kapazität ist?

Nein, heute geht es nicht um das mentale Stadium, das wir nach einem langen Arbeitstag erreichen. Heute geht es laut dem Autor

Stuart Russell: Human Compatible. Künstliche Intelligenz und wie der Mensch die Kontrolle über superintelligente Maschinen behält

um einen der möglichen Retter des mooreschen Gesetzes. Wortwörtlich schreibt er:

„Das mooresche Gesetz, nach dem sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppeln, wird nach gängiger Meinung bis ungefähr 2025 Bestand haben, allerdings mit ein wenig langsamerer Zunahme, denn seit einigen Jahren wird die Rechengeschwindigkeit durch die Hitzeentwicklung in den Siliziumtransistoren ausgebremst. Schaltkreise können nicht mehr viel kleiner werden. Die Drähte und Anschlüsse sind heute (im Jahr 2019) nur noch 25 Atome breit und 5 bis 10 Atome dick sind[sic!]. Nach 2025 lässt sich das mooresche Gesetz (oder sein Nachfolger) nur noch aufrechterhalten, wenn wir auf exotischere physikalische Phänomene zurückgreifen, darunter negative Kapazität,³² Transistoren aus einem Atom, Graphen-Nanoröhren und Photonik.“

S. 43.

Zu meiner großen Freude beschenkt uns unser Autor mit einer Fußnote, in der er uns verrät, dass ein Mensch namens Sayeef Salahuddin der Erfinder der negativen Kapazität ist. Als Quelle für das Thema gibt unser Autor in seiner Fußnote „Sayeef Salahuddin: Review of negative capacitance transistors“ an. Leider liegt dieses Dokument hinter einer Paywall und kann deshalb nicht kostenfrei genutzt werden.

Teil 1: Was ist die negative Kapazität?

Dieser Artikel des Elektormagazine aus dem Jahr 2013 verrät uns in halbwegs verständlichen Worten, was genau mit Hilfe der negativen Kapazität erreicht werden kann:

„Forscher der University of California in Berkeley haben herausgefunden, wie es möglich wäre, die für eine bestimmte Ladung eines Kondensators nötige Spannung zu verringern, was Potential für eine weitere Verkleinerung von Halbleiterstrukturen verspricht. Durch die Eigenschaften spezieller ferroelektrischer Materialien entsteht ein Effekt, der [sic!] man als „negative Kapazität“ bezeichnen kann.“

Zudem erfahren wir, dass die negative Kapazität zu diesem Zeitpunkt nur bei einer Temperatur von 200 Grad Celsius erreicht werden konnte. Für einen modernen Prozessor, der bei ca. 85 Grad Celsius arbeitet, ist diese Temperatur zu hoch.

Lass uns, bevor wir weitermachen, erst einmal alle mir unbekannten Begriffe aus dem gerade genannten Zitat klären.

Was ist ein Kondensator?

Da ich schon einmal Roboter gebaut habe, hatte ich schon Kondensatoren in der Hand. Allerdings erinnere ich mich nicht mehr genau daran, was diese machen. Zum Glück hilft dieses YouTube Video meinen grauen Zellen wieder auf die Sprünge und verrät uns, was ein Kondensator ist. Ein Kondensator ist in der Lage, eine elektrische Ladung zu speichern. Mit Hilfe eines Kondensators lassen sich Stromschwankungen ausgleichen. Wenn der Strom unterbrochen wird, wird der Strom einfach aus dem Kondensator gezogen. Erst wenn auch der hier gespeicherte Strom verbraucht ist, ist das Bauteil (zum Beispiel eine kleine LED-Lampe), das Strom benötigt, ohne Strom und geht aus.

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Was ist die Kapazität eines Kondensators?

Da wir nun wissen, dass ein Kondensator Strom speichert, können wir auch die Frage nach seiner Kapazität beantworten. Die Kapazität eines Kondensators ist die Menge an Strom, die ein Kondensator speichern kann. Die Kapazität eines Kondensators ist laut diesem YouTube Video unter anderem von seinen Materialien abhängig.

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Teil 2: Was ist die negative Kapazität?

Wir wissen nun, dass ein Kondensator Energie speichern kann und dass sein Material Einfluss darauf hat, wie viel Energie ein Kondensator hat. Wir wissen auch, dass ferroelektrische Materialien in einem Kondensator dafür sorgen können, dass dieser eine negative Kapazität erreichen kann. Das Einzige, was ich noch immer nicht verstehe, ist, was genau diese negative Kapazität ist. Zwar habe ich dieses YouTube Video gefunden, das die negative Kapazität erklärt, doch leider reicht mein physikalisches Halbwissen nicht aus, um die Erklärung zu verstehen. Doch wer weiß, vielleicht verstehst Du das Konzept, weil Dein physikalisches Wissen ausreichend ist.

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Fazit

Ich kann auch nach der Recherche unsere heutige Frage nicht in meinen Worten beantworten. Allerdings kann ich nun eines mit Sicherheit sagen: Ich werde nicht der Mensch sein, der in der Lage ist, das mooresche Gesetz mit Hilfe der negativen Kapazität vor seinem Aus zu retten. Doch wer weiß, vielleicht bist Du es ja, der dieses Wunder vollbringen wird.