Vom PC zur 'persönlichen Fertigung': Sind Fabs bald Alteisen?

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1 Vom PC zur 'persönlichen Fertigung': Sind Fabs bald Alteisen? Chappell Brown - May 13, 2005 Entwicklungsländer könnten schnell den Sprung zur Industrienation schaffen. Davon ist Neil Gershenfeld, Leiter des MIT-Projekts 'Center for Bits and Atoms', überzeugt: Eine 'digitale Fertigung' könnte Schwellenländer den entscheidenen Sprung nach vorne bringen - und damit auch Einfluss auf hoch entwickelte Regionen nehmen. Die These kommt nicht von ungefähr: Ein Praxisseminar, das Gershenfeld über die moderne Halbleiterfertigung abhielt, löste bei Studenten des Massachussetts Institute of Technolgy (MIT) überraschend viel Resonanz aus. EE Times: Der Untertitel Ihres neuen Buchs 'Fab' lautet: 'The Coming Revolution on Your Desktop from Personal Computers to Personal Fabrication', zu Deutsch 'Die kommende Desktop- Revolution - vom Personal Computer zur persönlichen Fertigung. Was genau soll eine 'persönliche' Fertigung sein - und wann ist damit zu rechnen? Gershenfeld: Um das zu beantworten, muss ich ein wenig ausholen. Wir haben eine digitale Revolution der Kommunikation und von Computern erlebt. Ihr Magazin - und auch der berufliche Werdegang Ihrer Leserschaft - basiert größtenteils darauf. Aber was bedeutet es wirklich, 'digital' zu sein? Die Antwort reicht zurück bis zu [den ersten Demonstrationen von Claud] Shannon in den 40er Jahren. Heute weiß jeder, dass man Informationen an ein Signal knüpfen und diese Informationen später fehlerfrei entfernen kann. Aber damals war das eine echte Sensation und wirklich revolutionär. In den 50er Jahren übertrug John von Neumann dieses Prinzip auf den Computer und zeigte damit, dass man aus unvollkommenen Komponenten ein durchaus zuverlässiges System herstellen kann. Dadurch kamen wir auf die Skalierung. Und heute haben wir das weltweite Internet und Prozessorchips, die sich der Milliarden-Transistor-Grenze nähern. EE Times: Und moderne Fabs für deren Herstellung... Gershenfeld: Chip-Fabs für zehn Milliarden Dollar - das ist wirklich die höchste Verkörperung der Hightech-Welt. Dennoch arbeiten diese Anlagen mit Verfahren, die Kunsthandwerker schon seit Jahrtausenden einsetzen: Man trägt ein paar Materialien irgendwo auf und härtet das Ganze im Ofen. Vergleichen Sie das doch einmal damit, wie Ihr Körper funktioniert. Der gesamte menschliche Körper basiert auf einem Protein, dem Ribosom. Das ist eine molekulare Maschine, die RNA- Botenstoffe entschlüsselt und Aminosäuren zusammensetzt, um daraus Peptide zu bauen. Und dies geschieht auf elementarste digitale Weise - genau im Sinne von Shannon und von Neumann. Das Ribosom liest einen redundanten Code, greift für den 'Zusammenbau' auf einen diskreten Komponenten-Set zurück und kann Fehler korrigieren.

2 Was ich damit sagen will, ist: Wir haben eine digitale Kommunikation und digitale Rechner - aber wir leben immer noch in der Ära der analogen Fertigung. EE Times: Werden wir bald 'digitale' Fertigungssysteme nutzen? Gershenfeld: Am MIT leite ich ein Programm mit dem Titel 'Center for Bits and Atoms' (CBA). Das ist eine Art interdisziplinäres Projekt der Fachrichtungen Physik und Informatik. Eines der großen Themen, mit denen wir uns beschäftigen, ist die Idee der digitalen Fertigung. Dabei kommt Computern eine neue Aufgabe zu: Sie steuern nicht nur die Tools, sondern werden selbst zum Fertigungswerkzeug. Auch hier geht es letztlich um die Skalierung - den Bau von perfekten makroskopischen Dingen aus unvollkommenen mikroskopischen Komponenten. Die Idee, die dahinter steckt, ist die digitale Fertigung. EE Times: Werden sich diese Experimente irgendwann einmal auf den Maßstab einer digitalen 10- Milliarden-Dollar-Fab skalieren lassen? Gershenfeld: Die Idee des digitalen Computers hat sich zuerst in Großrechnern manifertsiert, dann in Minicomputern und ist heute in Form des PC ein Massengut. Die so genannte 'Killer-Applikation' war dabei die Personalisierung von Computern - und nicht Programme für die Lagerverwaltung oder Gehaltsabrechnung. Den Siegeszug des PC verdanken wir also Lösungen, die die Bedürfnisse von Individuen statt nur der gesamten Organisation befriedigen. Genauso wird die digitale Fertigung in Form der persönlichen Fertigung auch Individuen erreichen - als Maschinen, die Maschinen herstellen. EE Times: Derzeit wird an Konzepten wie der Nanofertigung oder molekularen Fabriken gearbeitet. Ist das nicht eine sehr ferne Zukunftsmusik? Gershenfeld: Tatsächlich ist es überraschend, wie weit wir da schon dran sind. Selbst in Labors wie dem des CBA arbeiten wir an universellen Molekular-Assemblern. Allerdings steht das auf einer 20 Jahre umfassenden Roadmap, als eine Art Science-Fiction-Baustein. Ich habe für diese Forschungsarbeiten Tools für mehrere Millionen Dollar gekauft - FIB-Writer [Focused-Ion-Beam], Ultraschall-Wasserstrahl-Schneidemaschinen und Excimer-Laser. Und das waren nur die Tools, die wir für die Forschung brauchten. Dann verbrachte ich eine Menge Zeit damit, den Studenten die Benutzung der Tools beizubringen. Also veranstaltete ich den Kurs 'How to Make Almost Anything'. Wie der Titel schon sagt, ging es bei diesem Workshop darum, wie man mit den Tools fast alles herstellen kann. Der Effekt war, dass mir Studenten aus nichttechnischen Fachrichtungen die Türen einrannten. Sie wollten unbedingt an dem Kurs teilnehmen - nicht aus Forschungsambitionen, nicht weil es ihnen um ein Geschäftsmodell ging, sondern weil sie eine Idee hatten, die sie umsetzen wollten; sie wollten es fertigen. EE Times: Glauben Sie, dass Menschen im Allgemeinen sich in die Fertigung und andere sehr technische Bereiche einarbeiten wollen, nur um eine Laune zu befriedigen? Gershenfeld: Diese Begeisterung führte dazu, dass ich mir überlegte, was wohl geschehen würde, wenn der Rest der Welt Zugang [zu solchen Fertigungstechnologien] erhielte. Mit Unterstützung der National Science Foundation gründeten wir so genannte 'Field Fab Labs'. Die Idee hinter diesen Vor-Ort-Fertigungslaboren war es, mit dem zu arbeiten, was uns derzeit beim MIT zur Verfügung steht, aber sich auch Entwicklungen anzunähern, die wir vielleicht erst in 20 Jahren haben werden - und das alles mit heutigen Tools. Dieses Programm war weltweit ein Riesenerfolg, in Industrienationen und - was wohl am interessantesten ist - in Entwicklungsländern gleichermaßen. Wir fanden dort die gleichen Reaktionen wie hier am MIT.

3 Diese Labors sollten gar keinen besonderen Praxiswert haben, sondern waren als Experiment gedacht, das einen Einstieg in die Materie ermöglicht. Mittlerweile haben wir nun Labors in Indien, Norwegen, Ghana, Costa Rica und auch mitten in Boston. Diesen Sommer gehen wir nach Südafrika. Zudem haben wir Anfragen von überall aus der Welt - mehr als wir erfüllen können. EE Times: Betrachtet man die sozialen oder auch wirtschaftlichen Implikationen und vorausgesetzt, diese Labore wären genauso weit verbreitet wie heute PCs: Würde das die Volkswirtschaften der Industrienationen nicht ganz schön aus den Angeln heben? Gershenfeld: Aber sicher! Einige Aspekte sind absehbar, andere nicht. Es gibt Parallelen zwischen unserem heutigen Stand bei der persönlichen Fertigung und dem Übergang vom PDP, einem Minicomputer der siebziger Jahre, zum PC. Damals hatte die Branche diesen Übergang nicht ernst genommen - PCs galten als reines Spielzeug und nicht als praktisches Werkzeug -, bis es letztlich zu spät war. Im gleichen Sinne rechne ich damit, dass für die Industrie der Umfang lächerlich scheint, in dem man in städtischen Gemeindezentren mit Kids moderne Technologien schaffen kann,. Man wird das als nettes Spielzeug betrachten, nicht aber als ernsthafte Bedrohung. Aber genau das ist es in meinen Augen. EE Times: Wie sieht also das neue Geschäftsmodell für die persönliche Fertigung aus? Gershenfeld: Einerseits gibt es Open-Source-Software, deren Code nicht länger das geschützte Eigentum von irgendjemand ist. Man kann Unternehmen gründen, aber diese werden eher ein Dienstleistungsmodell fahren. Das wird wiederum darauf basieren, Designs und Lösungen zu erweitern - und nicht ein seltenes Gut zu besitzen. Dann gibt es die Mikrofinanzierung, die die Weltwirtschaft bereits durch eine große Anzahl an Mini-Krediten - und nicht großen Darlehen - revolutioniert. Was noch fehlt, aber meiner Meinung nach kommen wird, ist eine Art Mikro-Risikokapital. Die persönliche Fertigung eröffnet die Chance auf Hightech-Innovationen - allerdings im fünfstelligen Bereich und nicht in der Größenordnung von mehreren Millionen Dollar. Sie bräuchten dafür das Know-how eines guten Risikokapitalgebers, müssten aber die Gelder über ein Mikrofinanz-Netz verteilen. EE Times: Werden wir dann noch Chips brauchen, die immer schneller und mit steigender Schaltungsdichte in VLSI-Technologie hergestellt werden? Gershenfeld: Wir arbeiten mit der Idee des Paintable Computings. Die Idee stammt von Bill Butera, einem ehemaligen Chipentwickler. Er hielt es für verrückt, immer größere Wafer zu entwickeln. Stattdessen wollte er den kleinsten Chip schaffen, den man sich leisten kann. Die gesamte Rechenleistung sollte sich dabei auf einen Quadratzoll konzentrieren. Daran arbeiten wir jetzt. Bill ist mittlerweile bei Intel. Dabei gehen wir das Projekt nicht nur als Fab- Fertigung an, sondern - und das ist entscheidend - als Programmiermodell. EE Times: Es ist schwer vorstellbar, wie Sie mit diesem Ansatz ein System bauen wollen. Gershenfeld: Displays sind dafür ein gutes Anwendungsbeispiel. Zahlreiche Fabs arbeiten an immer größeren Displays. Wir konzentrieren uns dagegen auf ein 'statistisches' Display. Der Prototyp als PC-Platine steht schon, und bei der Chip-Variante machen wir schnell Fortschritte. Bei diesem Display werden die Nodes einfach verteilt und kommunizieren auf lokaler Ebene miteinander. Es gibt keinen Frame-Buffer und keinen I/O-Prozessor. Allerdings hat jeder Knoten ein

4 emissives Element. Dazu haben wir ein wirklich einfaches Subset für die Postscript-Interpretation geschaffen. Die Idee dahinter ist, dass Sie Grafiken in das Medium senden und es sich darauf in ein Display verwandelt. Gegenüber heutigen Displays ist das ein statistisches Display. Das heißt, dass Sie so viel von diesem Material verwenden, wie Sie brauchen - und wenn Sie mehr einsetzen, wird das Display größer. Statt das Display als reines Darstellungsgerät zu nutzen, das vom Computer separat existiert, wird das Display damit selbst zum Rechner. EE Times: Wie greifen nun diese Chip-Massenproduktion und die persönlichen Fabrikation ineinander? Gershenfeld: Letztlich interessiert uns die Steuerung, damit sich diese winzigen Nodes bewegen können. Wenn die Nodes erst einmal ihre physikalische Konfiguration wechseln können, werden beide Bereiche verschmelzen. EE Times: Meinen Sie damit selbstanordnende Systeme? Gershenfeld: Der große Unterschied liegt nicht in der Selbstanordnung, sondern in der programmierten Anordnung. Sie brauchen einen Embedded-Computing-Ansatz, um die Anordnung zu programmieren. EE Times: Bedeutet diese Zukunftstechnologie, dass jeder irgendwann zum Ingenieur wird? Gershenfeld: Der Gedanke, den ich bei Menschen erwecken will, wenn ich hier für die Leserschaft der EE Times dieses 'Heimwerker-Modell' durchspiele, ist, dass der Rest der Welt sich zu Elektroingenieuren entwickeln könnte, die sowohl Know-how als auch Bausteine konsumieren. Bedenken Sie nur das Potenzial, das diese Möglichkeit für den Rest der Welt bedeutet. Neil Gershenfeld hat an der Cornell University einen PhD in angewandter Physik erworben und ist zurzeit Leiter des 'MIT Center for Bits and Atoms', eines interdisziplinären Projekts für die Erforschung des Zusammenhangs zwischen Inhalt und physikalischer Repräsentation von Informationen. Neben Beiträgen in Fachzeitschriften und Patenten hat Gershenfeld vier Bücher verfasst: &#8226 Fab &#8226 When Things Start To Think &#8226 The Nature of Mathematical Modeling &#8226 The Physics of Information Technology. Zu seinen Forschungsleistungen zählen &#8226 die Entwicklung einer molekularen Logikschaltung zur Implementierung des ersten kompletten Quanten-Computers &#8226 die Erfindung einer analogen Schaltung, die optimierte digitale Aufgaben effizient ausführt &#8226 die Zusammenarbeit mit Nichttechnikern bei der Entwicklung von funktionalen Elektroniksystemen, wie zum Beispiel ein Computer-Cello für den Musiker Yo-Yo Ma &#8226 die Erfindung von Mini-Fabs für die Herstellung funktionsfähiger Systeme zu niedrigen

5 Kosten, die weltweit lokale Bedürfnisse befriedigen.