Chip-Entwickler sind gern gesetzestreu. Immerhin hatte ihnen der Intel-Mitbegründer Gordon Earl Moore bereits 1965 ins Stammbuch geschrieben, ganz außerordentlich effektive Arbeit zu leisten. Nicht als Vorschrift, sondern als Beobachtung über die tatsächlich geleistete Entwicklungsarbeit hatte Moore in seinem "Mooreschen Gesetz" erklärt, dass sich die Komplexität integrierter Schaltkreise im Jahresrhythmus verdoppele und weiter verdoppeln werde.

1975 musste Moore sein Gesetz den Realitäten anpassen und sprach von einer Verdoppelung alle zwei Jahre. Daran aber hielten sich die Chip-Entwickler seitdem im großen und ganzen, zuletzt waren sie sogar wieder leicht schneller. Die Geschichte der integrierten Schaltkreistechnik schien über Jahrzehnte ein nicht enden wollender technischer Triumph zu sein.

Dann stießen die Chips zur Jahrtausendwende in Gigahertz-Regionen vor. Möglich wurden die neuen Geschwindigkeiten, weil die Entwickler inzwischen über 25 Millionen Transistoren auf die winzigen Bauteile ätzten. Transistoren sind elektrische Widerstände, ihre Arbeit geht unter anderem zwingend mit Wärmeentwicklung einher. Immer kleinere Bauformen mit immer filligraneren Elementen entwickelten dabei immer größeren Energiehunger - und setzten folglich auch immer mehr Wärme frei.

Eine heiße Sache

Bald dürfte die Zahl der Schaltkreise auf handelsüblichen PC-Chips 500 Millionen Transistoren pro Chip durchbrechen - sowohl AMD als auch Intel stehen knapp davor. Zugleich verheizen etwa AMDs Phenom-Quad-Core-Chips auf einer Fläche von 2,85 Quadratzentimetern bis zu 125 Watt - man stelle sich die Hitzeentwicklung einer entsprechende Glühbirne von Fingernagel-Größe vor. Bei Intel sieht es leicht besser, aber nicht grundsätzlich anders aus. Allein die CPU im Rechner ersetzt heute die Heizung im kleinen Büro.

Es ist also nicht zuletzt die Temperatur, die der weiteren Leistungssteigerung von Chips physikalische Grenzen setzt. Die schienen vor einigen Jahren bereits erreicht, als PC-Chips in die Region von 4 GHz Taktfrequenz vorgestoßen waren. Viel mehr schien man mit der bis dahin üblichen Bauform nicht herauskitzeln zu können. Die Visionäre der Branche wagten, zunehmend lauter über Quantencomputer, Lichtleiter und neuronale Technik nachzudenken, während die Praktiker zunehmend aufwendige Kühlsysteme verbauten.

Lebensverlängerung für das "alte" System

Dann besann sich die Branche darauf, das Prinzip "PS" durch eine Steigerung der Effektivität zu ersetzen: Sie schafften das dadurch, dass sie die Arbeitslast von einem "Motor" auf mehrere verteilten, eine CPU durch mehrere parallel arbeitende ersetzten. Der Siegeszug der Mehrkern-Prozessoren begann. An Stelle des "eine CPU muss immer schneller werden" trat das "mehrere CPUs zusammen stemmen mehr weg".

Doch siehe da: Die Analogie zum Autobau trägt. Mehr PS und mehr Zylinder bedeuten nicht, dass die Leistung proportional ansteigt. Wie würde Schumi sagen? Irgendwie bekommen die derzeitigen Systeme ihre Leistung nicht effektiv auf die Straße gebracht. Es hakt sozusagen im Getriebe. Das hat mehrere Ursachen - und an der Lösung der damit verbundenen Probleme arbeiten Forscher weltweit. Das Ziel: Aus der verfügbaren Technik effizienter mehr Leistung herauszuholen, die Grenzen des Machbaren weiter zu verschieben, ohne sich dabei zwingend auch weiter an Moores Gesetz halten zu müssen.

Software: die eingebaute Bremse

Denn die Zeit für den großen Gesetzbruch scheint gekommen. Fast noch eherner als das Mooresche Gesetz steht das so genannte Wirthsche Gesetz der Informatik, dessen Effekte jedem PC-Nutzer aus eigener Anschauung (oder leidvoller Erfahrung) nur allzu vertraut sind. 1995 beobachtete der Schweizer Informatiker Niklaus Wirth, einst als Entwickler der Programmiersprache Pascal in Fachkreisen zu Prominenz gekommen, so humorig wie treffend das Prinzip, dass Software schneller langsamer wird als Hardware schneller.

Im Klartext: Den Geschwindigkeitszuwachs, den Hardware-Entwickler herausarbeiten, fressen die Software-Programmierer mit ihren immer aufwendigeren Programmen locker wieder auf.

Alt-PC-Cracks kichern da nur weise: natürlich dauerte es 1992 nicht halb so lang wie heute, einen Rechner zu booten. Der Witz daran: Man erledigte unter Umständen - wenn es um so pragmatische Dinge wie Textverarbeitung geht - die gleiche Arbeit, nur schneller. Aus der Perspektive des Anwenders, der den PC als Schreibmaschine nutzt, gab es seit 1992 folglich keinen Fortschritt, sondern nur Rückschritte - auch, wenn alles deutlich schicker aussieht. Natürlich ist das eine Überspitzung, denn heutige PCs können auch erheblich mehr. Unter dem Strich aber gilt Wirths Gesetz - noch?

Wege aus der Sackgasse - so könnten künftige Rechner getunt werden

Denn daran würden führende US-IT-Unternehmen gern etwas ändern. Doch gerade die Mehrkern-Prozessortechnik droht, diese Performance-Kluft zwischen Hard- und Software weiter zu vertiefen. Bisher gibt es nur sehr wenige Programme, die aus der prinzipiell überlegenden Leistung der Mehrkern-Prozessoren überhaupt einen messbaren Vorteil herauskitzeln können. Und während die ersten für Doppel- oder Quad-Kern-Systeme optimierten Programme den Markt erreichen, schraubt die Hardware-Seite der Industrie bereits an der Serienreife von 8- bis 16-Kern-Systemen. Auch Herr Wirth kichert sich wohl schon einen.

Jetzt fließt gezielt Geld in die Prophylaxe der absehbaren Probleme. Je näher die physikalische Grenze der Miniaturisierung rückt, desto wichtiger wird die Steigerung von Effizienz. Da vergessen selbst knallharte Konkurrenten ihre Gegensätze und treten gemeinsam auf: Zum Beispiel als Finanziers des im Aufbau befindlichen "Pervasive Parallelism Lab" an der renommierten Stanford University. Die Aufgabe des neuen Forschungsinstituts ist die Entwicklung von Software und Programmierprinzipien, um die Vorteile von Mehrprozessor-Systemen besser zu nutzen. Die Geldgeber: AMD, Intel, HP, NVidia, IBM, Sun und HP.

Und das Lab in Stanford steht nicht allein: Bereits seit letztem Monat arbeiten an den Renommier-Unis in Berkeley und Urbana-Champaign entsprechende Abteilungen an der gleichen Aufgabe, in beiden Fällen finanziert von Microsoft und Intel. Die Hoffnung: über ein verbessertes Getriebe (Software) die Leistung des Motors (CPU) effektiver zu nutzen.

Ein neues Getriebe?

Für den Berkeley-Professor Leon Chua gibt es noch einen anderen Weg: eine Modifikation der eingesetzten Chip-Architektur.

Denn die hält Chua schon seit 1971 für eigentlich unvollständig: In einer theoretischen Abhandlung beschrieb er da die Bauelemente integrierter Schaltkreise und sah dabei ein Element als notwendig, das niemals in Chips landete - den sogenannten Memristor.

Chua beschrieb das Grundprinzip eines Transistors mit eingebautem Gedächtnis: Einem Halbleiterelement mit variablem elektrischen Widerstand, der seine Information (dargestellt durch die Größe des Widerstands) auch beibehält, wenn kein Strom fließt. Damit würde, vereinfacht gesagt, der Arbeitsspeicher in den Chip selbst verlegt.

Da nicht nur alle separaten Bauteile ihre eigenen Verarbeitungsgeschwindigkeiten in die Gesamtperformance eines Systems einbringen, sondern auch die Informationsübertragung von einem Bauteil zum nächsten zu den größten Bremsen im System gehört, verspräche ein Chip-Design mit Memristor erhebliche Leistungssteigerungen. Und das bei besserer Energieeffizienz, basierend auf den Grundzügen der derzeitigen Rechnerarchitektur. Der Motor CPU bekäme quasi einen Turbolader verpasst.

Theoretisch ist das alles den Informatikern seit 37 Jahren klar, nur gelang bisher keine praktische Umsetzung. Das aber, berichtet in dieser Woche das Wissenschaftsmagazin "Nature", sei nun einer Entwicklergruppe von Hewlett Packard gelungen - bis hin zum funktionierenden Prototyp.

Aus Sicht des PC-Nutzers ergibt all das die Hoffnung auf einen echten Paradigmenwechsel: Statt Rechner zu kaufen, die angeblich immer schneller werden, sich aber langsamer anfühlen, könnte es bald solche geben, die eigentlich gar nicht schneller sind - sich aber so anfühlen und auch schneller nutzen lassen. Denn ein Chip, der sich an sein Betriebssystem "erinnert", braucht theoretisch noch nicht einmal Zeit um zu booten. Der Wegfall von Datenübertragungszeiten zwischen CPU und Speicher würde die Leistung des Chips unmittelbarer in Performance umsetzen. Ergo: Das derzeitige Chip-Design wäre eben noch nicht ausgereizt, die Leistungsgrenze verschöbe sich wieder. Der Memristor brächte, wie Schumi sagen würde, die PS der CPU besser auf die Straße.