Das Horizon-2020-Projekt ZeroAMP der EU verfolgt das Ziel, Datenverarbeitung und -speicherung mit extrem niedrigem Stromverbrauch zu ermöglichen. Zentral dabei sind nanomechanische Schalter, die auch extremen Umweltbedingungen standhalten. Mit an Bord ist auch das schweizerische Forschungs- und Entwicklungszentrum CSEM.
Für die zukünftigen Generationen von Elektrofahrzeugen und Flugzeugen oder für das Internet der Dinge (IoT) braucht es Elektronik, die bei hohen Temperaturen energieeffi-zient funktioniert. Supraleitende Quantenschaltungen hingegen arbeiten bei Temperaturen tief unter dem Gefrierpunkt. Um eine Lösung für diese extremen Anforderungen zu finden, wird im Rahmen des EU-Projekts ZeroAMP, bei dem das CSEM mitarbeitet, eine Lösung für Datenverarbeitung und -speicherung mit minimalem Stromverbrauch entwickelt.
Nanomechanische Schalter sollen dabei die extremen Umweltbedingungen meistern. Neuartige Materialien, neue Schalterdesigns und Schaltungstechniken werden dabei mit fortgeschrittener 3D-Stapeltechnik kombiniert.Transistoren sind als allgegenwärtige Bestandteile von digitalen integrierten Schaltungen in jedem modernen elektronischen Gerät zu finden – von Smartphones über Computer bis zu industriellen Anwendungen. Moderne Elektronik arbeitet jedoch zunehmend mit Ultraniedrigstromquellen, die in Systemen mit Transistoren nicht effizient betrieben werden können. Zudem müssen heutige Geräte auch bei extremen Umweltbedingungen funktionieren, dort sind Transistoren nicht immer einsetzbar. Auch für autonome Knotenpunkte im Internet der Dinge braucht es neue Entwicklungen. Sie benötigen extrem energieeffiziente Prozessoren ohne Stromverbrauch im Standby. Und bei Elektroautos oder elektrischen Flugzeugen muss die Elektronik bei sehr hohen Temperaturen funktionieren - Ausleseschaltungen für supraleitende Quantenschaltreise hingegen müssen bei nahezu kryogenen Temperaturen einsetzbar sein. Um die Grenzen von Transistoren zu überwinden, arbeiten Microchip Technology, einführender Anbieter von eingebetteten Steuerungslösungen und X-FAB MEMS Foundry (X-FAB), ein führender Hersteller von Halbleitern im Projekt ZeroAMP zusammen. Sie entwickeln die ersten integrierten Computer auf der Basis von nanoelektromechanischen Relais. Sie sind ausgelegt auf extreme Umgebungen und sollen dereinst grossflächig zum Einsatz kommen. Namhafte Institutionen beteiligen sich am internationalen Projekt: die University of Bristol (Grossbritannien), das KTH Royal Institute of Technology (KTH, Schweden), die Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik (AMO, Deutschland), das Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) und die Sciprom Sàrl (Schweiz).
Ziel des Projekts ZeroAMP ist, nanoelektromechanische Relaisbasierte feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) mit integriertem nichtflüchtigem Speicher zu entwickeln. Die FPGA sollen bei Temperaturen bis zu 275 °C funktionieren, dies bei vollständig abwesenden Leckströmen und keiner Leistungsaufnahme im Standby. Dabei sollen neuartige Materialien, neue Schalterdesign und Schaltertechniken sowie fortgeschrittene 3D-Stapeltechnik für die grossflächige Integration von nanomechanischen Schalt-elementen miteinander kombiniert werden. Das Projekt baut auf der richtungsweisenden Vorarbeit der Konsortialpartner im Bereich der nanoelektromechanischen Relais-basierten Datenverarbeitung auf. Das CSEM wird unter anderem an der Optimierung von nanokristallinem Graphit mitarbeiten, das als Kontaktmaterial für mehr Zuverlässigkeit sorgt. Es wird als festes, leitfähiges Schmiermittel eingesetzt, das die Kontakte vor Verschleiss schützt. Durch die tiefen Oberflächenkräfte dieses Materials bleibt die Haftreibung gering. Eine der grössten Herausforderungen bei nanomechanischen Relais als Kontaktschalter ist ihre Zuver-lässigkeit, was sich durch mehrere Ausfallarten zeigt. Das CSEM wird eine neue Testmethode für nanomechanische Schalter einführen und eine eingehende Ursachenanalyse entwickeln, um die Zuverlässigkeit von nanomechanischen Schaltern zu erhöhen. Das Projekt ZeroAMP soll Lösungen hervorbringen, um das volle Potenzial des Internets der Dinge aus-zuschöpfen, die kryogenische Quantendatenverarbeitung zu verbessern oder drahtlos Temperaturen von industriellen Prozessen aufzuzeichnen. Es birgt zudem das Potenzial, Technologien wie die Elektro-mobilität voranzutreiben, um weniger auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein. Das Projekt ZeroAMP wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäi-schen Union unterstützt. https://www.zeroamp.eu
