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Ausgabe 195

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Magazin mit Berichten von der Politik bis zur Kultur: sechs Mal jährlich mit bis zu 145 Seiten Österreich. 15.487 pdf-Downloads im November 2020 auf http://oesterreichjournal.at/

ÖSTERREICH JOURNAL NR.

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 195 / 29. 10. 2020 Wissenschaft & Technik Datenverarbeitung erreicht kleinste Dimension Forschern der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) und der Universität Wien konstruieren neuartigen Computerschaltkreis © Universität Wien / Niels Paul Bethe Der Richtkoppler ist mit sichtbaren Atomstruktur dargestellt. Ein Team aus Physikern hat einen Meilenstein auf der Suche nach kleineren und energieeffizienteren Bauteilen für die compu - tergestützte Datenverarbeitung erreicht: Im Verbund haben sie einen integrierten Schaltkreis aus magnetischem Material und Magnonen entwickelt. Damit lassen sich binäre Daten – eine Abfolge aus Einsen und Nullen übertragen, auf denen die Grundsprache der heutigen Computer und Smartphones ba siert. Der Prototyp ist das Ergebnis einer vierjährigen Forschungstätigkeit, die durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungs - rats (ERC) für Andrii Chumak finanziert wer - den konnte. Eng eingebunden waren Jun.- Prof. Philipp Pirro von der TUK und Qi Wang, der derzeit als Postdoc an der Universität Wien tätig ist. Univ.-Prof. Chumak be - gann die Arbeit an der TUK und leitet nun eine Forschungsgruppe an der Universität Wien. „Wir sind sehr glücklich, daß uns das Vorhaben, welches bereits vor einigen Jahren geplant war, jetzt gelungen ist. Und das Ergebnis ist sogar besser als erwartet“, sagt Chumak. Der erste Entwurf für den Magnonen-Schaltkreis sei noch sehr komplex ge - wesen. Dank gelte Wang, dem Hauptautor der Arbeit, der das Design im Projektverlauf „mindestens 100mal besser“ gemacht habe. „Wir sehen jetzt, daß magnonenbasierte Schaltungen genauso gut sein können wie CMOS. Das reicht jedoch leider noch nicht aus, um die Industrie zu begeistern. Dafür müßte unser Schaltkreis wahrscheinlich noch mindestens 100mal kleiner sein und 100mal schneller arbeiten“, sagt Chumak. „Nichtsdestoweniger eröffnet unser Bauteil fantastische Möglichkeiten jenseits binärer Daten, zum Beispiel für quantenmagnonisches Rechnen bei sehr niedrigen Temperaturen.“ Pirro fügt hinzu: „Wir sind auch in - teressiert daran, den Schaltkreis für neuromorphe magnonische Computer anzupassen, die sich an der Arbeitsweise unseres Gehirns orientieren.“ Die Komponenten des Nanoschaltkreises messen weniger als ein Mikrometer, sind weitaus dünner als ein menschliches Haar und selbst unter dem Mikroskop kaum sichtbar. Der Schaltkreis setzt sich aus drei Nanodrähten zusammen, die aus einem magnetischen Material namens Yttrium-Eisen-Granat bestehen. Die Drähte werden eng aneinander liegend positioniert, um zwei Richtungskoppler zu bilden, die die Magnonen durch die Drähte führen. Magnonen sind Quanten von Spinwellen – man kann sich diese wie Wellen auf der Oberfläche eines Tei ches vorstellen, nachdem ein Stein hineingeworfen wurde. In diesem speziellen Fall werden die Wellen allerdings durch Verzerrungen in der magnetischen Ordnung eines festen Materials auf der Quantenebene gebildet. Das Team hat viel Arbeit investiert, um die optimale Nanodrahtlänge und den besten Abstand der Drähte zueinander herauszufinden, mit der bzw. mit dem sich die gewünschten Ergebnisse erzielen lassen. Wang arbeitete an dem Projekt für seine Doktorarbeit an der TUK. „Ich habe ein paar hundert Simulationen für verschiedene Ty - pen von Halbaddierern durchgeführt“, sagt er. „Beim aktuellen Prototypen handelt es sich um den 3. oder 4. Entwurf.“ Beim ersten Koppler, bei dem zwei Drähte sehr nahe aneinander liegen, wird die Spinwelle in zwei Hälften geteilt. Eine Hälfte geht zum zweiten Koppler, wo sie zwischen den Drähten hin- und herspringt. Ab - hängig von der Amplitude tritt die Welle entweder am oberen oder am unteren Draht aus, was einer binären „1“ bzw. „0“ entspricht. Da »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 130 die Schaltung zwei Richtkoppler enthält, die zwei Informationsströme addieren, bildet sie einen Halbaddierer, eine der universellsten Komponenten von Computerchips. Millionen dieser Schaltkreise können kombiniert werden, um immer komplexere Berechnungen und Funktionen durchzuführen. „Was in normalen Computern typischerweise Hunderte von Komponenten und 14 Transistoren erfordert, benötigt hier nur drei Nanodrähte, eine Spinwelle und nichtlineare Physik“, bringt es Pirro auf den Punkt. Pirro, der zurzeit an der TUK im Rahmen des Sonderforschungsbereichs "Spin+X" das Fachgebiet des Spintronic-Computing (Spin- tronic = Spin Elektronik) leitet, wird jetzt den Einsatz des Magnon-Schaltkreises für das neuromorphe Rechnen erforschen. Hierbei geht es nicht um Datenverarbeitung nach dem binären Prinzip, sondern vielmehr dar - um, sich der Funktionsweise des menschli - chen Gehirns anzunähern. Denn Spinwellen sind für ein komplexeres und rausch-tolerantes Design wesentlich besser geeignet. Sie haben auch das Potential, deutlich mehr In - formationen zu transportieren, weil sie zwei Parameter bieten – die Amplitude, also die Wellenhöhe, und die Phase, sprich den Wellenwinkel. Beim aktuellen Ansatz hatte das Team die Phase noch nicht als Variable verwendet, um ihn für die binäre Datenverarbeitung möglichst einfach zu halten. n https://www.univie.ac.at/

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 195 / 29. 10. 2020 Wissenschaft & Technik voestalpine eröffnet weltweit modernste Stranggießanlage 131 Mit der Inbetriebnahme einer neuen, vollautomatisierten Stranggießanlage erzielt der Konzern eine weitere Qualitätssteigerung bei der Herstellung von Stahlgüten Foto: voestalpine AG / Metal Engineering Division Die Metal Engineering Division der voest - alpine produziert am Standort Donawitz hochwertige Stähle für die Weiterverarbeitung zu Spezialschienen für die Bahninfrastruktur, Premiumdrähten für die Automobilindustrie und hochqualitativen Nahtlosrohren für die Öl- und Gasexploration. Die Produktionskapazität der hochmodernen Anlage mit einem Investitionsvolumen von rund 90 Millionen Euro ist auf eine Million Tonnen pro Jahr ausgelegt. Ob in der Mobilitätsbranche, der Energieindustrie oder dem Bahninfrastrukturbereich – der Anspruch an die Qualität und die Belastbarkeit der eingesetzten Materialien steigt ständig. Die neue Stranggießanlage CC4 am Standort Donawitz, welche die bestehende Linie nach mehr als 40 Jahren ablöst, er - möglicht der voestalpine ab sofort die Herstellung noch reinerer Stähle mit optimalen Oberflächeneigenschaften. „Die neue Stranggießanlage in Donawitz ist ein wichtiger Schritt zur Stärkung unserer führenden Position in technologisch an - spruchsvollsten Märkten, wie etwa der Bahn - infrastruktur, die sich auch im aktuell schwierigen Wirtschaftsumfeld stabil entwickelt. Gleichzeitig stellt dieses Investment einen wesentlichen Beitrag zur Absicherung des Standortes Donawitz für die kommenden Jahre dar“, sagt Herbert Eibensteiner, Vorstandsvorsitzender der voestalpine AG. Volldigitalisierte Anlage Im Zuge des Stranggießverfahrens („Con - tinuous Casting Process“) werden aus flüssigem Rohstahl Stahlblöcke (sogenannte „Blooms“) für die weitere Verarbeitung zu fertigen Produkten erzeugt. Die CC4, das neue Herzstück der Stahlproduktion in Do - nawitz, entspricht vollumfänglich Industrie- 4.0-Standards. Sie erlaubt de facto eine vollautomatisierte Produktion sowie Manipulation und Verladung der Stranggußblöcke. „Der hohe Digitalisierungsgrad der Anlage ermöglicht uns, wichtige Parameter in Bezug auf die Reinheit bzw. Gefüge-Homogenität des Produktes noch genauer zu steuern und so den Anforderungen unserer Kunden noch besser nachzukommen. Der erfolgreiche Betrieb dieser Anlage basiert aber nach wie vor ganz wesentlich auf dem einzigartigen metallurgischen Know-how unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter“, so Franz Kainersdorfer, Vorstandsmitglied der voestalpine AG und Leiter der Metal Engineering Division. Das Design der Anlage ist auf die Herstellung eines breiten Produktportfolios, z. B. Schienenstähle, Stähle für Nahtlosrohre und Kaltmassivumformung, Kugellagerund Federstähle in „Super-Clean“-Qualität, ausgelegt. Eine vollautomatisierte Temperaturführung sorgt für optimale Erstarrungsbedingungen und eine Vielzahl an elektromagnetischen Rührspulen für die absolute Ho - mogenität des Materialgefüges. Die CC4 er - reicht Gießgeschwindigkeiten von bis zu 1,7 Meter pro Minute. Metal Engineering Division Die Metal Engineering Division des voestalpine-Konzerns ist mit dem Geschäftsbereich Railway Systems globaler Marktführer für Bahninfrastruktursysteme und Signaltechnik. Mit dem Bereich Industrial Systems ist die Division darüber hinaus europäischer Marktführer für Qualitätsdraht sowie globaler Anbieter von Schweißkomplettlösungen. Vom Standort Kindberg in Österreich werden zudem Nahtlosrohre in die ganze Welt geliefert. Die Kunden stammen aus der Bahninfrastrukturindustrie, der Öl- und Gasindustrie, der Maschinenbau-, Automobil- sowie der Bauindustrie. Im Geschäftsjahr 2019/20 er - zielte die Division mit ihren Geschäftsbereichen Railway Systems und Industrial Sy stems einen Umsatz von rund 2,9 Mrd. Euro, da - von über 40 Prozent außerhalb Europas. n https://www.voestalpine.com/ »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at

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