Handelsblatt

MenüZurück
Wird geladen.

01.01.2002

21:30 Uhr

Chiphersteller verschieben Grenzen der Machbarkeit

Immer mehr Transistoren passen auf einen Mikrochip

VonHeinz Schmitz

Bei der Entwicklung von leistungsfähigeren Chips stoßen die Hersteller immer wieder an Grenzen. Mit neuen Materialien und Techniken ist es den Firmen bislang jedoch gelungen, diese Grenzen zu verschieben.

HB DÜSSELDORF. Bei der Überwindung der technischen Grenzen in der Fertigung von Prozessoren waren die Chiphersteller in den vergangenen Monaten besonders erfolgreich. So meldeten gleich vier der großen Prozessorhersteller einen Durchbruch bei der Isolierung der Leiterbahnen, wodurch die Wärmeentwicklung auf dem Chip wirksam reduziert werden kann. Neben Intel, IBM und AMD ist es auch Agere Systems gelungen, die störenden Leckströme mit neuen Materialien um den Faktor 100 000 verringern. Die Entwickler hoffen so die Geschwindigkeit der Chips in den nächsten fünf Jahren noch einmal um Faktor 1 000 erhöhen zu können.

Ein Chip besteht aus Silizium - der kristallinen Form von Sand oder Glas. Entsprechend vorbehandelt verhält sich Silizium wie ein Transistor - ein elektronischer Schalter. Eine Vielzahl von Transistoren bilden - intelligent als Mikroprozessor verbunden - das Herzstück aller Computer. Je komplexer ein Mikroprozessor wird, desto mehr Schaltelemente müssen auf dem Chip untergebracht werden. Hatten die ersten Prozessoren nur einige hundert Schaltelemente, so sind auf den heutigen Chips inzwischen einige Millionen Transistoren untergebracht.

Da die Chipfläche aber nicht beliebig vergrößert werden kann, werden die Strukturen der elektronischen Schalter immer kleiner. Ein Herausforderung dabei ist die Isolation zwischen den einzelnen Schaltelementen: Je dünner die Schichten werden und damit auch die einzelnen Transistoren, je hochwertiger muss der Isolator sein.

Die Isolierschicht verhindert Leckströme - Restströme, die auch bei ausgeschaltetem Transistor noch fließen. Sie sind die Ursache dafür, dass Chips heiß werden. Unangenehm ist auch, dass diese Verlustströme bei höheren Taktraten steigen und damit die Geschwindigkeit bremsen. Wird heute für die Isolierung der Gatter Siliziumdioxid verwendet, hat Agere Systems die Isolierung mit Hafniumoxid weiter verbessern können. Intel dagegen verwendet ein Material, das der Hersteller geheimnisvoll als "High k Dielectric" bezeichnet. Um welches Isolatormaterial es sich dabei handelt, hält der Prozessorhersteller geheim.

Haben die Chiphersteller diese Hürde genommen, ist allerdings schon die nächste in Sicht: Wenn die Isolatoren unter fünf Atome schrumpfen, ist nach den heutigen Erkenntnissen eine Schwelle erreicht, an der die kleinen Schalter nicht mehr funktionieren. Solche fünf Atom Strukturen werden allerdings zurzeit nur im Labor erreicht. In der Massenfertigung arbeitet man mit Strukturen von mindestens 0,13 mm, was der Dicke einiger hundert Atome entspricht.

Doch auch diese Grenze wird überwunden ist Malcolm Penn, CEO des englischen Beratungsunternehmens Future Horizons optimistisch: "Wenn man 10 bis 15 Jahre zurückdenkt, war die 1 mm Technologie unvorstellbar. Heute sprechen wir über 0,1-mm Prozesse." Mit dem herkömmlichen Material Silizium, so die Wissenschaftler, sind solche dünne Strukturen nicht möglich.

Vielleicht finden die Tüftler aber noch andere Stoffe als Isolator. Dann wären, jedenfalls theoretisch, 1-Atomdünne Schichten denkbar. Das ist der Zeitpunkt, an dem selbst Moore das Ende seines Gesetzes gekommen sieht, nach dem die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppelt wird . Er datierte es auf das Jahr 2017. Kleiner als ein Atom geht nicht! Jedoch mit neuen Fertigungsmethoden wollen die Ingenieure auch diese Barriere überwinden.

Ein Ansatz dazu bleibt der herkömmlichen Elektronik treu. Die Transistoren werden nicht wie bisher horizontal nebeneinander, sondern, wie Zinken einer Gabel, senkrecht angeordnet. Dadurch wird der notwendige Platz um den Faktor 100 reduziert. Erste Prototypen dieser Strukturen wurden an der Universität in Berkeley realisiert. Mit diesen dreidimensionalen Strukturen wird eine höhere Bauteildichte erreicht und das Ende von "Moore's Law" herausgeschoben.

Was geschieht aber, wenn die Silizium-Technologie wirklich an ihre Grenzen stößt? "Die Siliziumtechnologie wird auch dann weiter bestehen, allerdings wird sie nicht mehr die Bedeutung haben, die sie heute hat", erläutert Malcolm Penn. "Wir werden die Chips wie wir Bausteine nutzen. Sie sind einfach Hand zu haben und erfüllen in vielen Aufgaben ihren Zweck.

Wie sehen dann aber die High-End Chips aus? Malcolm Penn: "Es könnten optische, biologische, molekulare oder quantenmechanische Lösungen geben." Dabei werde die Quanten-Elektronik einiges ändern, "weil es sich um eine völlig andere Technik handelt", so Penn. Dabei werden Flüssigkeiten basierend auf der Quantenmechanik mit Hilfe der Kernspinnresonanz in Computer verwandelt. In den Labors von IBM und Hewlett-Packard wird an solchen Techniken bereits gearbeitet.

Direkt vom Startbildschirm zu Handelsblatt.com

Auf tippen, dann auf „Zum Home-Bildschirm“ hinzufügen.

Auf tippen, dann „Zum Startbildschirm“ hinzufügen.

×