News

Area 1 - Mikro- und Nanotechnologien: Technologien für energieeffiziente Computing-Plattformen

Im Spitzencluster Cool Silicon entwickeln sächsische Hochschulen, Forschungsinstitute und Unternehmen gemeinsam neue Technologien für energiesparende Computing-Plattformen und elektronische Systeme. Im Detail beschäftigen sich die Projekte der Area 1 „Mikro- und Nanotechnologien“ mit den Basistechnologien für energieeffiziente IKT-Produkte und deren Anwendung in Computern. Ihr Ziel: In Zukunft soll die IT-Branche schon beim Entwurf einzelner Komponenten nicht nur die  Rechenleistung, sondern auch die Energieeffizienz optimieren.

 

Computer werden immer leistungsfähiger – doch mit der Rechenleistung wächst auch ihr Energieverbrauch. Experten haben errechnet: Wenn ein Unternehmen eine Million US-Dollar in Server investiert, dann waren im Jahr 2000 für das Betreiben dieser Computer 43.000 US-Dollar pro Jahr allein an Stromkosten zu bezahlen. Investiert ein Unternehmen heute die gleiche Summe, sind für den Energieverbrauch bereits 327.000 US-Dollar jährlich einzuplanen – und für die One-Million-Dollar-Serverfarm 2012 ist eine Stromrechnung in Höhe von 650.000 US-Dollar zu erwarten. Damit wären bei einer Nutzungsdauer von drei Jahren die Energiekosten beinahe doppelt so hoch wie der Kaufpreis der Computer.

 

Der Energieverbrauch von Computern hat sich damit innerhalb weniger Jahre zu einem Kostenfaktor entwickelt, den kein Unternehmen mehr vernachlässigen kann. Stromspar-Technologien gehört die Zukunft. Deshalb wollen Forscher aus Sachsen diese Technologien möglichst schnell auf den Markt bringen. Die Verbundprojekte der Area 1 arbeiten daran, zu zeigen, dass eine enorme Steigerung der Rechenleistung auch ohne Mehrverbrauch an Energie realisierbar ist.

 

Den größten Anteil am gesamten Energiebedarf der Informations- und Kommunikationstechnik haben PCs und Endgeräte, wie Bildschirme und Monitore, gefolgt von Rechenzentren und der Netzwerktechnik. Die Projekte CoolComputing, CoolFab, CoolFlow, CoolMaskMetro, CoolDrivers sowie CoolTrans, CooliBit, CoolAnalytics, CoolE3NVM und CoolProjector arbeiten nun an einem ganzheitlichen Ansatz: der Entwicklung energiesparender Komponenten über die Betriebs- und Anwendersoftware bis hin zu Analyse- und Fertigungsmethoden, ohne die die neuen Technologien nicht in die Produktion überführt werden können.

 

Ziel der Forscher im Projekt CoolComputing ist die Verdoppelung der Rechenleistung ohne Erhöhung des Energieverbrauches. Die Forscher sind bereits auf einem sehr guten Weg: Wichtige Bauelemente der Prozessoren wurden bereits erfolgreich um ein Drittel verkleinert – das erlaubt eine platz- und energiesparende Integration mehrerer Komponenten auf einem Chip. Derzeit wird an der Entwicklung einer Robustheitskennzahl, die es Ingenieuren erlaubt, bereits in frühen Entwurfsphasen „Energiefresser“ zu identifizieren und zu entfernen, gearbeitet. Doch nicht nur die Komponenten sind Teil der Energierechnung. Auch die einzelnen Prozess- und Logistikschritte benötigen mit steigender Komplexität der Elemente mehr Energie. Das Projekt CoolFab wirkt dem entgegen und entwickelte eine Software zur Analyse der einzelnen Fertigungsabläufe. Mit diesem Werkzeug können Logistikzeiten bereits um mindestens 26 Prozent verkürzt werden. Die begleitenden Vorhaben CoolTrans und CoolBIT untersuchen neue Materialien zur Verbesserung der Transistoreigenschaften und der Entlastung von Prozessoren in energieaufwendigen Arbeitszyklen.

 

In der zweiten Phase werden nun die gewonnen Erfahrungen aus Cool Computing weitergeführt und durch applikationsnahe Projekte wie CoolDrivers und CoolE3NVM sowie technologieorientierte Projekte wie CoolFlow und Cool Analytics ergänzt. Das Projekt CoolMaskMetro erforscht die Bewertung von High-End-Photomasken, die in der Herstellung von skalierten Bauelementen eingesetzt werden, wohingegen sich CoolDrivers mit den Ansteuerchips für den weltweiten Hauptverbraucher für elektrische Energie, dem Elektromotor, beschäftigt. CoolE3NVM entwickelt die Technologie für nichtflüchtige Speicher weiter. Der zu entwickelnde nichtflüchtige SRAM Speicher wird im Vergleich zu einem auf dem Markt befindlichen 4Mbit NOR Flash Speicher einen um den Faktor 100 geringeren Energieverbrauch beim Speichern der Daten haben. Und auch mobile Endgeräte, wie Smartphones und Pocket Media Player erfahren mithilfe der Forscher in Area 1 eine Revolution: Das Projekt CoolProjektor entwickelt extrem kleine und leistungsstarke OLED-Displays, deren Einsatz maximales Vergnügen bei einer Verzehnfachung der Betriebsdauer im Akkubetrieb erlaubt.

 

Area 1 des Spitzenclusters Cool Silicon entwickelt Basistechnologien und Analyse- und Produktionsmethoden für die Herstellung energieeffizienter Elektronik und legt damit den Grundstein für eine nachhaltige Lösung der wachsenden Nachfrage an Rechnern und Endgeräten.

 

Kontakt: media@cool-silicon.org

In the Leading-Edge Cluster CoolSilicon, Saxony’s universities, research institutes, and businesses are cooperating in the development of new technologies for energy-preserving computing platforms and electronic systems. The projects titled Area 1 “Micro- and Nanotechnologies” deal with basic technologies for energy efficient ICT-products and their applications for use in computers. Their goal: In the future the IT Sector will not only seek performance optimization, but will also increase energy efficiency during the design and development of components.

Computers are becoming increasingly powerful. But with improved processing power, energy consumption is also on the rise. Experts have calculated: If a company invested one million U.S. Dollar in servers in the year 2000, the cost for power alone to supply these computers would be $43,000 per year. In comparison, if a company invested the same amount today, the cost for energy consumption would be $327,000 per year. At this rate it is estimated that by the year 2012 the company could expect an electricity bill of $650,000 for the operation of a server park costing one million dollar. Over the course of three years of usage, energy costs would amount to almost twice the purchase price.

Within only a few years the energy consumption of computers has become a significant cost factor that no company can afford to neglect any longer. Energy preserving technologies are the future. For this reason, Saxony’s researchers are seeking to introduce these technologies to the marketplace as soon as possible. Within the joint research projects of Area 1, they aim to prove that computers with enormously improved processing power can be built without increasing energy consumption.

The most energy consuming information and communications technologies (ICTs) are PCs and end devices like screens and monitors, closely followed by data processing centers and network technologies. The projects CoolComputing, CoolFab, CoolFlow, CoolMaskMetro, CoolDrivers as well as CoolTrans, CoolBit, CoolAnalytics, CoolE3NVM and CoolProjector are working based on a common paradigm: Developing energy-efficient components for all operating systems and application software as well as analytic methods and production processes before these new technologies are allowed into production.

The main goal of the research project CoolComputing is doubling processing power without increasing power consumption – and it is already producing promising results: Important processor components have been successfully reduced to a third of their size, which enables more space and energy saving integration of several components into one chip. Currently scientists are working on designing a robustness-code, which will allow engineers to identify and eliminate energy-wasting parts during the early stages of development. But the components are not the only part of the energy assessment. Every single step involved in the processing and logistics required to increase a parts’ complexity also leads to a higher demand for energy. The project CoolFab has countered this reality by creating software that analyzes all of the operational sequences of fabrication. With this tool researchers have reduced logistic times by at least 26%. In addition, the accompanying projects CoolTrans and CoolBIT analyze new materials to improve transistor performance and to provide relief of power loads for processors operating in high energy cycles.

The second phase will build on the experiences gained in CoolComputing and further complement them with application-oriented projects like CoolDrivers and CoolE3NVM, and technology-oriented projects like CoolFlow and Cool Analytics. The project CoolMaskMetro will explore the evaluation of high-end photo masks employed in the production of scaled building elements, while CoolDrivers deals with the driver chips for the main consumer of electric energy world-wide, the electric motor. CoolE3NVM aims to further the development of nonvolatile memory. During data saving the nonvolatile memory in development, called SRAM, will consume 100 times less energy than the 4Mbit NOR Flash drive currently available in the marketplace. And even mobile end devices like Smartphones and pocket media players will, due to the researchers of Area 1, experience a revolution: The project CoolProjector is developing extremely small and high-performance OLED displays that will maximize the pleasure of usage by running ten times longer on a single battery charge.

Area 1 of the Leading-Edge Cluster Cool Silicon develops basic technology, analytic methods and production processes for the manufacturing of energy efficient electronics. Through these efforts a foundation is being built for a sustainable solution to meet the growing demand for computing and end devices.

Contact: media@cool-silicon.org