Eine Horrorvision des amerikanischen Erfolgsautors Michael Crichton ("Jurassic Park") stürmte jüngst die Bestsellerlisten: In seinem neuen Roman "Beute" entwickeln karrieresüchtige Computertechniker im Auftrag des Militärs Daten verarbeitende und flugfähige Nanopartikel zur Feindüberwachung, die sofort außer Kontrolle geraten, intelligente Schwärme bilden und sich anschicken, die Weltherrschaft zu erringen. Crichton greift damit in belletristischer Form Warnungen des bekannten Computerwissenschaftlers Bill Joy auf, der in der baldigen Vermählung von Nano- und Biotechnik die Gefahr einer technologischen Selbstabschaffung der Menschheit zu sehen meint.

Crichton mischt in seinen Büchern stets Fiktion mit Fakten: Immerfort müssen seine Figuren im Dialog das Stichwort für belehrende Einschübe des Autors liefern, und zum Beweis, dass es ihm mit seinen Prognosen ernst ist, hängt er dem spannenden Reißer eine stattliche Liste mit Fachliteratur an. Darum die Frage: Wie real ist die Möglichkeit, dass die Miniaturisierung des Computers bis zu intelligenten Staubpartikeln fortschreiten wird?

Im Dezember des vergangenen Jahres versammelten sich führende Computertechniker in San Francisco zum "International Electron Devices Meeting", um das Zukunftspotenzial der elektronischen Datenverarbeitung zu analysieren. Stolz zogen die Experten Bilanz: Die Halbleiterindustrie darf auf eine in der Technikgeschichte beispiellose Erfolgsserie zurückblicken. Im Jahre 1965 passten auf einen Computerchip dreißig Transistoren; heute sind es mehrere Milliarden (Science, Bd. 299, S. 210, 10. Januar 2003).

Aber gerade das atemberaubende Entwicklungstempo brachte mehrere Vortragende zu der besorgten Frage: Wie lange kann dieses exponentielle Wachstum – ausgedrückt durch das Moore’sche Gesetz, wonach sich die Anzahl der Transistoren pro Chip etwa alle anderthalb Jahre verdoppelt – noch weitergehen? Wann wird die Miniaturisierung elektronischer Schaltkreise zunächst von praktisch-technologischen Problemen gebremst werden und letztlich an prinzipiellen physikalischen Grenzen zum Stillstand kommen?

Zwar operieren Computer noch immer weit unterhalb der fundamentalen Schranke, die Thermodynamik und Quantenmechanik dem "ultimativen Laptop" setzen (Spektrum der Wissenschaft 11/2000, S. 24). Dennoch wachsen mit schrumpfenden Transistoren die Energie- und Materialprobleme. Je kleiner ein Schaltkreis, desto weniger Strom fließt beim Einschalten, und desto mehr Kriechströme mogeln sich – unter anderem auf Grund des quantenmechanischen Tunneleffekts – hindurch, wenn er auf "Aus" steht. Damit auch winzigste Transistoren funktionieren, muss der Siliziumkanal zwischen Quelle und Senke intensiv mit Fremdatomen dotiert werden; die Dotierung lässt sich aber immer schlechter kontrollieren, je enger die Kanäle werden. Aus solchen Gründen müsste die Miniaturisierung herkömmlicher Siliziumtransistoren, sollte sie weiter nach Moores Gesetz fortschreiten, bereits in rund zehn Jahren auf unüberwindliche Hindernisse stoßen.

Doch damit wäre, so die Experten, Moores letzte Stunde noch lange nicht gekommen. Schon sind Transistortypen in Arbeit, die im Prinzip nur mehr zehn Nanometer (millionstel Millimeter) lang sein müssten. Erst recht versprechen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, vielleicht sogar einzelne Moleküle, die elektrostatisch zwischen zwei Zuständen geschaltet werden können, den Betrieb von Transistoren im Nanobereich.

Moores Gesetz könnte sogar noch vierzig Jahre in Kraft bleiben, wenn die Chiptechnologie die dritte Dimension erobert und räumlich angeordnete elektronische Bauteile produziert werden. Freilich wird bei derart dichter Packung die Kühlung zum Hauptproblem. Und selbst wenn dieses Problem gelöst würde: Was ist mit den "Drähten" zwischen den einzelnen Bauteilen? Auch für den Fall, dass es gelingt, bis an die Grenzen heute absehbarer Technik zu gehen und auf einem Chip eine Billion Transistoren zu integrieren – und zu kühlen! –, muss die zukünftige Nanoelektronik eine Lösung für die leitenden Verbindungen zwischen derart winzigen und dicht gepackten Halbleiterelementen liefern.

Die technologische Schranke, an der das Moore’sche Gesetz zu scheitern droht, steckt also nicht in den Schaltelementen selbst, sondern in ihren Verbindungen – doch erst sie machen den "integrierten Schaltkreis" aus, auf dem der Siegeszug der Computer beruht. Den Ausweg aus diesem Dilemma sehen nun einige Visionäre in der Entwicklung quasi "desintegrierter Schaltkreise". Statt die Miniaturisierung immer komplexerer Rechner mit allen nur denk- und machbaren technologischen Tricks immer weiter in atomare Größenordnungen zu treiben, könnte der Trend sich umkehren und zur Ausbreitung führen: zu "verteilter Intelligenz" (distributed intelligence).

Schon in den 1960er Jahren dachte sich Stanislaw Lem in seinem klassischen Zukunftsroman "Der Unbesiegbare" einen Planeten aus, der ausschließlich von intelligenten Metallpartikeln besiedelt ist. Diese künstlichen Fliegen organisieren sich spontan zu aggressiven Schwärmen und attackieren alles, was sich bewegt. Ihre verteilte Intelligenz macht sie unbesiegbar, und darum haben sie auch nicht nur ihre Schöpfer – eine durch "normale" Bioevolution entstandene intelligente Zivilisation – ausgerottet, sondern überhaupt jede Spur von Leben, das es einst auf dem Planeten gab. Der Unterschied zu Crichtons moderner Variante ist vor allem, dass sich die intelligenten Schwärme bei Lem nicht aus Nanostaub zusammensetzen, sondern aus millimetergroßen Winkelstücken.

Entscheidender sind die Gemeinsamkeiten: Bei Lem wie bei Crichton haben intelligente, biologisch entstandene Planetenbewohner eine Art Techno-Evolution in Gang gesetzt, die ihnen über den Kopf wächst (ob Crichton wirklich mit dem Ende der Menschheit Ernst macht, sei hier fairerweise nicht verraten). Crichton erwähnt "evolutionäre Algorithmen", mit denen bereits heutige Rechner von selbst Problemlösungen entwickeln, und er gibt eine originelle Lösung für das notorische Problem der Nanotechnik: Wie baut man "Assembler" – die mikroskopischen Maschinen, die ihrerseits die noch tausendmal kleineren Nanomaschinen bauen? Crichton empfiehlt, bei der Natur in die Lehre zu gehen, die derlei Kunststücke in lebenden Zellen seit jeher beherrscht, und lässt die Produktion des Nanostaubs von gentechnisch manipulierten Mikroorganismen besorgen.

Doch wie der Vergleich mit Lems altem Roman zeigt, ist Miniaturisierung gar nicht das Problem. Ob die intelligenten Schwärme aus fliegengroßen Robotern oder aus Nanostaub bestehen – entscheidend ist, wie sie kommunizieren und sich organisieren. Selbst wenn das im Science-Fiction-Roman stillschweigend als gelöst unterstellt wird, kommen bei Lem wie bei Crichton nur recht primitiv agierende Gebilde zu Stande, die aggressiven Hornissenschwärmen oder Neuro-Parasiten ähneln.

Es dürfte einen guten evolutionä-ren und kommunikationstechnischen Grund haben, das unser Gehirn nicht wie ein loser Schwarm organisiert ist, sondern als flexibel verdrahtetes Neuronennetz. Das Gehirn ist zugleich das beste Beispiel für einen Computer höchster Leistung, bei dem die Miniaturisierung der Bauelemente schon weit oberhalb des atomaren Niveaus Halt gemacht hat, während die Raffinesse vor allem in den Details der elektrochemischen Verbindungen steckt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2003, Seite 16
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