IT-Forschung
IT ? Next Generation

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CPUs mit 100 Kernen, gigantische Petabyte-Speicher, ultraschnelle Petaflop-Prozessorenund sogar humanoide Roboter sind für Anwender noch Science-Fiction, nicht aber hinterden Türen der Forschungslabore.

Die Trends der Zukunft

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Um einen Blick auf die Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) von morgen zu werfen, schaut PC Professionell führenden Forschern und Entwicklern in ihren IT-Labors über die Schulter. Kernthemen der IT-Forscher sind immer wieder bessere Halbleiter, Speicher und Prozessoren. So sollen CPUs 2013 Petaflop-Leistung erreichen, das sind stolze 1000000 Gigaflops. Sony, IBM und Toshiba haben auf der ISSCC (International Solid State Circuits Conference) im Februar bereits die ersten 6-GHz-Prozessoren vorgestellt, und Intel präsentierte Details zu einem Chip-Prototypen, der mit 80 CPU-Kernen ausgestattet ist und 1,28 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde (1,28 Teraflops) durchführt. Geplant sind jedoch CPUs mit bis zu 100 Kernen.

Auch an Nanotechnologien kommt die IT nicht mehr vorbei. Die Produktionsprozesse der Zukunft bewegen sich auf molekularer Ebene. Zur Großindustrie der Zukunft könnte sich die Robotik entwickeln. Androiden gibt es in Japan und Korea zwar bisher nur als funktionsarme Maschinen, doch die menschlichen Roboter des Jahres 2050 könnten künstlich-intelligent schon um eine Reform der Menschenrechte streiten.

Androiden verlassen das Lab

Asiaten lieben Roboter und haben bereits eine ganze Familie von Humanoiden entwickelt. Die Japaner bauten 2003 mit dem Actroid den ersten Androiden, mit Repliee Q1 und Actroid DER2 folgten höher entwickelte Menschmaschinen. Unter der Leitung des Koreaners Baeg Moon-Hong erblickte im Mai 2006 EveR-1 das Licht der Welt, ein halbes Jahr später folgte EveR-2. Die nächsten Generationen werden 2008 und 2010 erwartet. Etwas lieblos gehen die Chinesen an die Sache heran, ihr Roboter Dion ist den oben Genannten deutlich unterlegen und kann eigentlich nur dumm herumstehen und singen. Gemeinsam ist diesen Projekten, dass es sich um Gynoiden, also weibliche humanoide Roboter handelt. Ein weiterer Trend sind jedoch Doppelgänger. Prof. Hiroshi Ishiguro, Entwicklungsleiter im Actroid-Projekt an der Universität von Osaka, baute sich selbst als Androide nach. Ebenso existiert der Chinese Zou Renti einmal aus Fleisch und Blut sowie einmal aus Metall und Silikon.

Die Androiden sehen zwar schon sehr menschlich aus, verbergen in ihren Bewegungen jedoch nicht ihre Entstehungsgeschichte. Den wohl fortschrittlichsten Gynoiden hat der Koreaner Baeg Moon-Hong am Korea Institute of Industrial Technology entwickelt. Eve Robot 2.0 (EveR-2), dem Aussehen nach einer 20-jährigen Koreanerin nachempfunden, ist 1,70 Meter groß und wiegt samt ihrer Silikonhaut etwa 60 Kilogramm. Kleine Weitwinkel-CCD-Kameras in den Augen erfassen die Umgebung, so dass EveR-2 auf diese reagieren kann. Bis zu 30 digitale Steuerbefehle erfasst EveR-2 pro Sekunde bei einer Reaktionszeit von 33 Millisekunden. Auch Sprachbefehle akzeptiert die neue Eva des digitalen Zeitalters. Sie kann mit einem Vokabular von 400 Wörtern einfache Unterhaltungen führen und dabei Gestik und Mimik mit Augen, Gesicht, Hals, Armen, Händen, Torso und Unterkörper anpassen. Dabei bewegt sich EveR-2 mit 60 DoF (Degrees of Freedom, Maßeinheit für die Bewegungsfreiheit von Robotern, basierend auf der Anzahl der Rotationsgelenke). Derzeit kann sie jedoch nur sitzen und aufstehen. Schon 2010, so träumt Entwickler Baeg, soll sich seine künstlich noch intelligentere Eva in Version 4 fortbewegen, singen und tanzen können.

Wir schreiben das Jahr 2050

Im Jahr 2025 schickt die NASA den ersten humanoiden Roboter auf eine hundertjährige Mission durch den Weltraum. Die Maschine kann nicht nur den Raumgleiter reparieren, sondern auch sich selbst. Im Jahr 2050 stellt Apple den ersten iRobot vor. Das männliche Modell fungiert hauptsächlich als Wachmann und Schwerarbeiter. Das weibliche Modell kümmert sich um Haushalt, Bildung und Unterhaltung der Kinder sowie ? als Modell ab 18 ? um die Libido des gestressten Singlemannes. Da jeder Roboter mit jedem vernetzt werden kann, entsteht eine Art Superintelligenz ähnlich den Borg in Star Trek. Jeder Androide kann sein Wissen und seine Funktionen per Download aus dem Kollektiv erweitern.

Solcherlei aus Filmen wie »Futureworld«, »Blade Runne« und »I Robot« bekannte Fiktionen können schon bald Realität werden. Sir David King, Wissenschaftsberater der britischen Regierung, legte vor kurzem eine Studie vor, die sich mit der Rolle von Robotern in 50 Jahren befasste. Darin kommen Roboter mit einem Bewusstsein vor, das so fortgeschritten ist, dass man über eine Ausweitung der Menschenrechte auf Maschinen nachdenken müsste. Die Maschinen reparieren, verbessern und reproduzieren sich zudem selbst.

Der Roboter-Experte der TU Wien, Peter Kopacek, meint, Roboter werden 2050 die Menschen im Alltag unterstützen. Eine programmierte Maschine könne aber nicht intelligent sein, da Intelligenz freien Willen voraussetze und nicht auf einfacher Ja-nein-Logik basiere.


Monitore auf der Haut

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Neben Androiden wird auch an ultradünnen, biegsamen und extrem schnellen silikon-basierten Transistoren gearbeitet. Erst durch sie werden fantastische neue Gadgets möglich: So können Sportler ihre GPS-basierten Trainingschronometer als Aufkleber ohne Luftwiderstand direkt auf der Haut oder in die Laufkleidung eingearbeitet tragen. Ebenso sind WLAN-Antennen und PDA-Funktionen für das supermobile Büro als flexible Armreifen vorstellbar. In Jeans-Hosen ließen sich biegsame Monitorflächen integrieren für den Videogenuss unterwegs. Zuhause können Räume mit Transistorenflächen tapeziert werden und jeden Tag eine andere virtuelle Umgebung schaffen oder Betrachter direkt ins 3D-Filmgeschehen integrieren.

Zhenqiang Ma und sein Forscherteam an der University of Wisconsin (Madison, USA) arbeiten an den technischen Grundlagen dafür. Sie haben jetzt ein Verfahren entwickelt, das flexible Transistoren um das 50fache beschleunigt. Statt organische Polymere oder amorphes Silikon zu verwenden, nutzen sie monokristallines Silikon, das Elektronen besser leitet. Normalerweise ist dieses Material steif. Biegsam wird es erst, wenn die Schichten ultradünn sind. Transistoren in Nanometerschichten hat bereits die University of Illinois entwickelt. Bisher berichten die Forscher von Transistorgeschwindigkeiten um 3,1 GHz, planen jedoch bereits 7,8 GHz. Bei weiterer Reduzierung der Gate-Größe halten sie auch 20 GHz für möglich.

Mega-Handys kommen 2010

Nach der Vision von Tero Ojanperä, CTO bei Nokia, werden 2010 standardmäßig Digicams mit 10 Megapixel Auflösung und wenigstens siebenfachem optischen Zoom in Handys integriert sein, die nicht größer sind als heutige Geräte. Videoaufzeichnungen sollen dann mit HDTV-Auflösung gelingen. Handys werden in Zukunft zudem hoch vernetzt sein und als Mini-Server Ad-hoc-Netze bilden. Darüber tauscht man Videos, Fotos oder umfangreiche Geschäftsdaten wie Präsentationen und Backups aus.

Der Erfolg simpler SMS-Botschaften könnte also bald schon von hoch aufgelösten Videokonferenzen in den Schatten gestellt werden. Videospiele können so die Bewegung in der realen mit Abenteuern in der virtuellen Welt verbinden. Dank Integration von NFC-Technologien (Near Field Communication) werden Handys fähig sein, in urbanen Gegenden jederzeit drahtlos Kontakt zu Informations- und Kommunikationsanbietern herzustellen oder selbst Anbieter zu werden.

Die Handys der Zukunft bieten nicht nur komplette Software-Applikationen wie Office 2010 Mobile, Photoshop CS6 oder Norton Mobile Security Suite 2009. Sie werden außerdem zum TV- und Videobeamer und präsentieren Filme oder Business-Präsentationen auf Knopfdruck.

Auf dem Weg zum Miniprojektor ist Microvision schon recht weit, die Firma hat bereits einen Prototypen namens Pico am Start. Sein Integrated Photonics Module
(IPM) ist nur 8 Millimeter dünn und etwa so groß wie ein Mini-USB-Stick. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) zeigte im September einen Zuckerwürfel-großen Mini-Beamer, der VGA-Auflösung erreichen soll.

Microvisions IPM projiziert ein vollfarbiges Bild mit etwa 17-Zoll-Diagonale. Dabei wird ein System aus drei Lasern (RGB) genutzt, deren Licht auf eine Art Silikon-basierten Spiegel (MEMS) trifft und durch diesen ausgestrahlt wird. Je nach Intensität einzelner der 100 Millionen RGB-Anschaltvorgänge ergeben sich unterschiedliche Farbtöne. Der Spiegel richtet sich also etwa 33 Millionen Mal pro Sekunde auf horizontaler und vertikaler Achse aus und sendet die Farbpixel für 20 Nanosekunden auf eine Projektionsfläche. Der Prototyp ist noch für 2007 geplant; ein Stand-alone-Gerät des Micro-Beamers will Microvision bereits 2008 in Serie produzieren. Die Integration in andere Mobilgeräte soll folgen ? von HD-Projektionen aus dem iPod darf man daher schon heute träumen.

Papier: Datenspeicher der Zukunft?

Doch nicht immer läuft die Forschung auf kleinere, leistungsfähigere Geräte hinaus. Mit seinem Rainbow Technology getauften Projekt will Sainul Abideen digitale Daten auf ein normales Blatt Papier speichern ? und zwar Hunderte von Gigabyte. Am MES College of Engineering im indischen Kuttipuram (mesengg.ac.in) hat der 24-jährige Student immerhin gezeigt, wie er ein Video von 45 Sekunden und ein über 400-seitiges Textdokument auf einen 25 Quadratzentimeter großen Zettel speichern konnte. Dazu übersetzt eine Software die digitalen Daten in künstlerisch anmutende geometrische Strukturen, die auf Standardformen wie Kreisen, Dreiecken und Quadraten basieren. Die endgültigen Gebilde sind so komplex und komprimiert, dass sich die Daten nur mit einem speziellen Drucker darstellen lassen.

Neben den wilden Formen kommen die Farben des Regenbogenspektrums (daher der Name des Projekts) zum Einsatz und fungieren als Quasi-Ebenen, was die Datendichte erhöht. Aus den optischen Informationen macht dann ein neu entwickelter Scanner samt Konvertierungssoftware wieder computerlesbare Daten. Abideen träumt von einer Papier- oder Plastik-Datacard, auf der sich 100 GByte speichern lassen. Eine Rainbow-Versatile-Disk (RVD) wäre in der Lage, bis zu 450 GByte Daten zu speichern. Der nächste Schritt: Abideen will über 120 Petabyte in eine Databank aus Papier packen. Der Beweis für eine praktikable Machbarkeit steht allerdings noch aus.

Bild: Von wegen steifes Material: Biegsame Transistoren werden durch die Verwendung von ultradünnen Silikonschichten möglich.


Hochauflösende Festplatten

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Dafür rücken jedoch Speicherkapazitäten von 10 oder gar 100 Terabyte auch für Standardfestplatten in greifbare Nähe. Ingenieuren von Fujitsu ist es gelungen, einen optischen Punkt von unter 100 Nanometern anzuvisieren, um damit mehr als ein Terabit pro Quadratzoll an Daten zu speichern. Das dafür erforderliche mehrschichtige Element für Thermal Assisted Magnetic Recording entwickelt Fujitsu mit dem Ziel, diese Technologie mit Perpendicular Recording zu kombinieren, um die Speicherkapazität von Festplatten abermals zu verzehnfachen. Erstmals wurde ein so kleiner Brennpunkt (88 nm x 60 nm) optisch auf einem Trägermedium anvisiert. Um eine hohe Übertragungsleistung zu erreichen, müssen die optischen Elemente bereits im Herstellungsprozess in die magnetischen Schreib-/Leseköpfe der Festplatte eingearbeitet werden. Die Markteinführung plant Fujitsu für 2009/2010.

Speicher ohne Ende

Technologisch steht der klassische NAND-Flash-Speicher kurz vor dem Aus. Zu geringe Kapazitäten und Transfergeschwindigkeiten sowie Materialermüdung nach 100000 Schreib-Lese-Zyklen, kurz: nicht zukunftskompatibel. IBM entwickelt derzeit mit Qimoda und Macronix die Nachfolgegeneration unter der Bezeichnung Phase Change Memory (PCM, Phasenwechselspeicher). Der erste PCM-Prototyp aus den Almaden-Labors von IBM lässt sich etwa 500-mal schneller beschreiben als Flash und verbraucht dabei lediglich 50 Prozent an Energie. Möglich wird dies durch eine neuartige Germanium-Legierung. Diese wechselt besonders schnell zwischen einer kristallinen Phase (geordnet, niedriger Widerstand) und einer formlosen Phase (ungeordnet, höherer Widerstand). Bestimmt wird der Phasenzustand durch Dauer und Amplitude des zur Erwärmung zugeführten Stroms. Kurz vor dem Schmelzpunkt der Legierung bewegen sich die Atome chaotisch und erstarren formlos bei unterbrochenem Stromfluss. Nach etwa zehn Nanosekunden reduzierter Stromzufuhr richten sich die Atome wieder geordnet aus (kristalline Phase). Somit ist Phasenwechselspeicher wie Flash nicht flüchtig.

Bauelemente in der Größe von 3 x 20 Nanometer werden schließlich Terabyte-Volumina in der Größe von USB-Sticks ermöglichen.

Dicht gepackte Daten

Die bislang größte Speicherdichte der Halbleitergeschichte haben James Heath und Fraser Stoddart am California Institute of Technology erreicht. Ihr Molekularspeicher nimmt auf gleichem Raum wie bisherige Speicher 40-mal mehr Daten auf als übliche Chips. Die Speicherdichte von 100 Gigabit pro Quadratzentimeter stellt einen neuen Rekord für selbst gefertigte Schaltkreise auf. In der Größe eines weißen Blutkörperchens speichert der Prototyp immerhin 160 Kilobit. Auf Molekülebene werden die 160000 Bits auf einem Gitter aus Silizium- und Titandrähten angeordnet. Jedes Bit ist dabei nur 15 Nanometer breit, die Drähte nur 16 Nanometer dick.

Bild: Weniger ist mehr: Hinter dem schlichten Design zukünftiger Handys verbergen sich Funktionen, für die heute eine ganze Gerätebatterie notwendig ist.