DÜSSELDORF (pi) - Die Digitalisierung analoger Phänomene charakterisiert in zunehmendem Maße das Messen und Automatisieren von elektronischen Geräten. Ausgangspunkt hierfür sind die elektronischen Schalter, Speicher und Verstärker als Halbleiterbauelemente mit immer größerer Packungsdichte und einem immer günstigeren Verhältnis von Preis und Funktion.
Diese Entwicklung ist fast atemberaubend, denn es sind nur zwölf Jahre vergangen, seit auf der Sonderausstellung "Angewandte Forschung" der Interkama 74 eine mit Mikroprozessoren gesteuerte Spielzeugeisenbahn die Anwendung "verteilter Intelligenzen" experimentell demonstrierte.
Die ungeahnten Möglichkeiten der Mikroprozessor-Anwendung auf industriellem Gebiet wurden damals nicht so schnell erkannt, insbesondere nicht die spektakuläre Preisreduzierung der Bauelemente. Anfangs kostete ein Mikroprozessor rund 300 Dollar. Heute vereinigt dieses "Zwitterding" zwischen Bauelement und Funktionsbaustein einige 100000 Transistoren auf einem Chip. Der Signalprozessor wird wohl dem Mikroprozessor bald den Rang ablaufen und die Anwendungen ausweiten. Eine halbe Million Transistorfunktionen auf einem Chip, fast zehn Millionen Befehle pro Sekunde, scheinen die letzten Barrieren für eine breite Anwendung der Digital-Technik auszuräumen.
Während die Industrie heute schon Milliarden von Chips produziert und selektiert, gibt es bei den Grundlagenforschern noch viele ungeklärte Fragen über atomare Strukturen und Wechselwirkungen innerhalb der Festkörper. Die Italiener gaben diesen besonderen Bauelementen vor über 20 Jahren den treffenden Namen "Microgigante", obwohl zum damaligen Zeitpunkt noch die relativ geringe Temperaturfestigkeit der Chips als unüberwindliche Schranke galt. Auch waren die Erkenntnisse über die Physik der Halbleitermaterialien noch recht bescheiden. Inzwischen steht die Grundlagenforschung der Industrieländer in wissenschaftlichem Wettbewerb zur industriellen Fertigung mechanischer, elektronischer, magnetischer und optischer "Eigenschaften" von Festkörper-Materialien.
Dreidimensionale Integration entwickeln
Es ist auch nicht verwunderlich, daß schon heute in einigen Forschungslabors daran gedacht wird, die bisherige Flächenintegration der Halbleiterchips in eine dreidimensionale Integration zu entwickeln, wobei die Tiefenauflösung in oberflächennahen Schichten zur Analyse der strukturellen Anordnung der Atome bis auf ein Nanometer möglich sein sollte und die lithographische Herstellung von Strukturen mit 0,1 Mikrometer Abmessung realisierbar erscheint (Elektronen-Ionen-strahltechnik).
Schon in drei Jahren, zur Interkama 89, erwartet man, daß Computer der fünften Generation dem Begriff der "Künstlichen Intelligenz" entsprechen und daß das Verstehen von Sprache gerätetechnisch machbar wird. Die Fortschritte bei den integrierten Bauelementen bestimmen aber auch die Möglichkeiten der Robotik, unabhängig davon, daß die Automatisierung von mechanischen Bewegungen nur durch Spitzenleistungen der Präzisionsmechanik lösbar wird.
Miniaturisierung geht für Jahre weiter
Integration und Miniaturisierung von Schaltern, Speichern, Verstärkern und ganzen Systemen gehen also noch für Jahre weiter. Neben den quantitativen und qualitativen Verbesserungen ergibt sich jedoch die Frage: Wann ist die absolute Grenze des Machbaren erreicht? Hier sollte das Beispiel des Lernens und der Mustererkennung mit Modellen ungeordneter magnetischer Materialien herangezogen werden, denn Festkörper lassen sich ebenso wie Nerven-Netzwerke mit einfachen mathematischen Modellen beschreiben. Es handelt sich in beiden Fällen um das Zusammenwirken einer riesigen Anzahl von Elementen.
Bei den Festkörpern sind es 10 23 Atome, beim Nervennetz des Menschen etwa 10 12 Neuronen, die durch Nervenleitungen und Kontaktstellen auf komplexe Weise miteinander verbunden sind.
Heutiges Telefon mit intelligenter Kopplung
Es bleibt die Frage: Wie können komplexe Systeme und Geräte miteinander kommunizieren? Im Transportwesen wurde die wesentliche Verbesserung durch den Bau von Autobahnen - also schnellen Übertragungsstrecken - eingeleitet. Das gleiche gilt für die Kommunikationsnetze der Elektronik. Das heutige Telefon bestimmt mit der Übertragungsbreite das Geschehen. ISDN, also die "Autobahn der Übertragungstechnik", ist schon konzipiert, wird aber erst in Jahrzehnten verfügbar sein. Das bedeutet, daß selbst der "primitive" Fernschreiber heute noch nicht an Bedeutung verliert.
Die Einführung von Breitbandsystemen wird aber sicherlich beschleunigt, da gerade hier ein Wettbewerb besteht. Offen bleibt dabei die Frage, ob die Satelliten-Direktübertragung den schrittweisen Ausbau von ISDN in den Schatten stellen wird oder ob das heutige Telefon mit seiner Schmalbandübertragung durch intelligente Kopplung sowie Verteilung von Speichern und schnellen Rechnern die meisten Wünsche der Anwender verwirklichen kann. Btx mit der Schmalbandübertragung des Telefonsignals ist ein solches Beispiel.
Komplexes System selbstverständlich
Mit neuartigen, an solchen Modellen orientierten parallelen Computerstrukturen könnten viele, heute noch äußerst rechenaufwendige Probleme extrem schnell gelöst werden. Das "Silizium-Gehirn" ist also keine reine Utopie mehr, gibt es doch in amerikanischen Laboratorien schon Chips mit 512 Prozessoren und 256000 Verbindungen. Ziel ist das assoziative Computer-Netzwerk. Das Modell "Gehirn" verbindet die Physik der elektronischen Signalverarbeitung mit Chemie und Biologie. Mit der Institutsbezeichnung "Bioinformatik" hat sie eine moderne Definition erhalten.
Die Bedienung aller neuen Geräte muß "narrensicher" und individualisierbar sein, insbesondere so, daß der gelegentliche Benutzer die Geräte mit gleicher Effektivität bedienen kann wie der ständige Benutzer, so daß das komplexe System so selbstverständlich wird, wie heute Telefon und Fernseher, ganz im Gegensatz zum Auto, das nur nach intensivem Training bedient werden kann.