Daten verarbeiten mit magnetischen Schwingungen

Supercomputer rechnet mit Bakterien

04.10.2019
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Wissenschaftler arbeiten an Prozessoren aus der Petrischale. Dabei werden Informationen mit Hilfe magnetischer Schwingungen in Bakterien verarbeitet. Das könnte aus Sicht der Forscher die Chipproduktion revolutionieren und für einen Leistungsschub sorgen.

Prozessoren aus speziellen Bakterien könnten bei gleicher Größe erheblich mehr Daten verarbeiten als ihre Pendants aus herkömmlichem Silizium, wollen Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) herausgefunden haben. In einem Artikel im Fachmagazin Nature Communications berichten sie über magnetische Schwingungen im Inneren von Bakterien, die dazu dienen könnten, Informationen zu speichern und zu verarbeiten.

Bakterien könnten Silizium als Grundlage für Prozessoren ablösen.
Bakterien könnten Silizium als Grundlage für Prozessoren ablösen.
Foto: paulista - shutterstock.com

Das funktioniert mit Hilfe besonderer Innereien, über die diese Einzeller verfügen. Beispielsweise sitzen im Bakterium "Magnetospirillum gryphiswaldense" kleine magnetische Kügelchen mit nur 30 Nanometern Durchmesser, aufgereiht wie an einer Perlenschnur. In der Natur dienen sie dem Organismus zur Orientierung entlang des Erdmagnetfelds.

Wissenschaftler rund um Benjamin Zingsem aus der UDE-Arbeitsgruppe "Struktur und Magnetismus nanoskaliger Systeme" und Kollegen der Universität Oldenburg haben diese Bakterien verschieden starken Magnetfeldern aus unterschiedlichen Richtungen ausgesetzt und dabei magnetische Schwingungen, sogenannte "Magnonen" in den Kugelpartikeln erzeugt. Dabei fiel ihnen auf, dass Bakterien, denen ein bestimmtes Protein fehlt, gekrümmte und verästelte Ketten ausbilden, die wie logische Schaltungen funktionieren: "Regt man mehrere Magnetschwingungen an, die verschiedene Informationen tragen, so ergibt sich in den Magnonen eine neue Schwingung, deren Information eine logische Verknüpfung der ursprünglichen Schwingungen ist", erklärt Zingsem.

Spinwellen - die Zukunft der Computer?

Die Magnonik stellt eine vergleichsweise junge Teildisziplin der Festkörperphysik dar. Die Forscher befassen sich dabei mit magnetischen Phänomenen in Kristallen. Vor allem sogenannte Spinwellen (in der Quantenmechanik "Magnon"), welche sich in Festkörpern nach einer entsprechenden Auslenkung der Spinachsen parallel ausgerichteter Elektronen wellenförmig ausbreiten, beflügeln die Fantasie der Forscher.

In kommenden Magnonen-Rechnern sollen Informationen mit Hilfe dieser magnetischen Wellen codiert werden. Das hätte gegenüber klassischen Computerarchitekturen eine Reihe von Vorteilen: Die Ausbreitung von Spinwellen findet im Wesentlichen ohne Energieverlust statt, da die Elektronen an ihrem Platz bleiben - lediglich die Ausrichtung ihrer Spin-Achsen ändert sich. Magnonische Bauelemente würden nach Ansicht der Wissenschaftler daher weniger Energie benötigen als elektronische Chips und folglich kaum Abwärme produzieren. Darüber hinaus benötigten magnonische Bauelemente keine materiellen Kontakte. Gerade hinsichtlich der Strukturbreiten in der Fertigung herkömmlicher Chips stoßen die Hersteller derzeit an physikalische Grenzen. Schließlich ließe sich die Taktfrequenz, welche bei Halbleiterprozessoren seit Jahren bei etwa drei Gigahertz liegt, mit magnonischen Prozessoren Schätzungen zufolge um den Faktor Tausend steigern.

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Magnetospirillum gryphiswaldense. Im Innern des Bakteriums sind die Kügelchen mit nur wenigen Nanometern Durchmesser zu erkennen.
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Magnetospirillum gryphiswaldense. Im Innern des Bakteriums sind die Kügelchen mit nur wenigen Nanometern Durchmesser zu erkennen.
Foto: UDE

Bis dato hatten sich die Wissenschaftler im Rahmen ihrer magnonischen Forschungen in erster Linie auf Kristallstrukturen wie Nickel-Eisen-Legierungen oder Yttrium-Eisen-Granat konzentriert. Nun ist es den CENIDE-Forschern erstmals gelungen, diese Magnonik in einem biologischen System und auf Nano-Ebene zu beobachten.

Leistungsfähig wie ein menschliches Gehirn

Zingsem zählt eine Reihe von Vorteilen von Prozessoren auf Bakterienbasis auf: Da diese nicht mit elektrischem Strom arbeiteten, müssten sie auch nicht gekühlt werden. Das spare viel Energie und ermögliche deutlich komplexere Prozessoren. "Man könnte dadurch etwa eine Million Mal mehr Schaltungen als bisher in einem Prozessor unterbringen", so der Physiker. Ein einzelner Computer könnte damit so leistungsfähig werden wie ein menschliches Gehirn.

Darüber hinaus wachsen Bakterien selbstständig und ohne Verwendung umweltschädlicher Verbindungen wie in der Halbleiterproduktion. Durch ihr exponentielles Wachstum ließe sich zudem schnell auf eine erhöhte Marktnachfrage reagieren. Die Produktion wäre demzufolge deutlich günstiger und nachhaltiger als bei der klassischen Halbleitertechnologie.

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Von einem Computer, der mit Hilfe von Bakterien rechnet, ist man indes noch weit entfernt. Noch ist in Sachen Magnonik einiges an Grundlagenforschung zu leisten. Zingsem zufolge geht es im nächsten Schritt nun darum, solche Systeme mit konventionellen Methoden anzusteuern. "Wir arbeiten daran, derartige Systeme mit Daten zu füttern und die Ergebnisse verlässlich auszulesen." Der Physiker ist zuversichtlich: Eine Integration in konventionelle Elektronik sei demnach nur eine Frage der Zeit.