Kleiner, schneller, effizienter – dieses Mantra scheint auf keinem Gebiet so sehr zu gelten wie in der Halbleiterelektronik, wo man mit immer weiter verfeinerten Verfahren zunehmend kompaktere Schaltkreise fertigt. Smartphones, Künstliche Intelligenz, Robotik, autonom fahrende Autos und weitere Hightech-Anwendungen sind auf solche leistungsfähigen Computerchips angewiesen.
Und die Miniaturisierungswelle scheint noch lange nicht am Ende angelangt zu sein. Dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip weiterhin etwa alle eineinhalb Jahre verdoppelt und die Strukturen entsprechend schrumpfen, ganz so wie der Ingenieur und Unternehmer Gordon Moore es 1965 prognostizierte, untermauern nun Entwickler der Firma IBM. Huiming Bu und seine Kollegen vom Forschungszentrum des Unternehmens in Albany (New York) haben den ersten Computerchip entwickelt, dessen kleinste Strukturen nur 0,7 Nanometer messen, was der Größe von sieben Wasserstoffatomen entspricht. Derart winzige Details schienen bislang physikalisch unmöglich.
Während der erste integrierte Schaltkreis – im Jahr 1958 von Jack Kilby aus vier Transistoren und aus vier Kondensatoren aufgebaut – noch die Größe einer Büroklammer hatte, betrugen um die 2000er-Jahre die kleinsten Strukturen auf einem Pentium-IV-Prozessor mit seinen 100 Millionen Schaltern bereits 100 Nanometer (100 Millionstel Millimeter). Heute messen die Bauteile auf einem modernen Mikrochip nur noch rund zehn Nanometer und kleiner, was es erlaubt, bequem rund 20 Milliarden von ihnen auf einer fingernagelgroßen Fläche zu platzieren. Dank einer speziellen Fabrikationstechnik können die Forscher um Huiming Bu jetzt sogar 100 Milliarden Feldeffekt-Transistoren auf einem Chip von der Größe einer Briefmarke unterbringen.
Die Eroberung der dritten Dimension
Bislang galt die Devise, mit immer kürzeren Laserwellenlängen immer feinere zweidimensionale Strukturen in den dünnen Siliziumscheiben lithographisch ätzen zu können. Tatsächlich lassen sich mithilfe von extrem ultraviolettem Laserlicht (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern heute Details von rund sieben Nanometern erzeugen. Kleiner geht es kaum noch auf diese Weise. Hinzu kommt ein physikalisches Hindernis: Bei noch kleineren Strukturen leidet die Leistungsfähigkeit der Feldeffekt-Transistoren. Wird der leitfähige Kanal zwischen den drei Elektroden des winzigen Transistors zu eng, können Kriechströme fließen, die Störungen und Kurzschlüsse nach sich ziehen, was die Funktionsfähigkeit der winzigen Halbleiterbauteile beeinträchtigt. Zudem produzieren die Silizium-Prozessoren, je leistungsfähiger sie werden, immer mehr Wärme. Moderne Computer benötigen deshalb aufwendige und teure Kühlsysteme. Deshalb sind neue Lösungen gefragt.
Um dennoch weiterhin mehr Schaltkreise auf einem Prozessor unterbringen zu können, setzen die IBM-Forscher statt auf eine zweidimensionale auf eine dreidimensionale Chiparchitektur. Die Transistoren bestehen jetzt aus jeweils mehreren übereinander angeordneten dünnen Halbleiterschichten. Jede ist von der Gate-Elektrode umschlossen, die den Stromfluss im Transistor steuert. Der fließende Strom lässt sich laut IBM dadurch wesentlich besser kontrollieren. Unerwünschte Kriechströme werden verringert. Diese Architektur erlaubt es, mehrere Transistoren extrem dicht übereinanderzustapeln, wodurch eine größere Zahl der winzigen Bauteile auf gleicher Fläche untergebracht werden kann. Die Transistoren selbst sind jeweils einige Nanometer groß.
Höhere Rechenleistung, bessere Energieeffizienz
Vor fünf Jahren hatten die IBM-Entwickler um Huiming Bu den ersten Computerchip mit dieser Stapelbauweise vorgestellt, bei dem die kleinsten Strukturen nur noch zwei Nanometer betrugen. Damals fanden bereits 50 Milliarden Transistoren auf einem fingernagelgroßen Chip Platz. Dank einer noch kompakteren Bauweise sind es nun doppelt so viele Schalter.
Labormessungen haben laut IBM gezeigt, dass der neue Chip im Vergleich zu seinem Vorgänger eine deutlich höhere Rechenleistung und bessere Energieeffizienz ermöglicht. Im Zuge generativer KI und Cloud-Computing und dem daraus sich ergebenden Bedarf an immer leistungsfähigeren Prozessoren ist man bei IBM optimistisch, dass die Computer der Rechenzentren mit 0,7-Nanometer-Chips ausgestattet werden. Die Produktion der schnellen Chips könnte schon in fünf Jahren möglich sein. Allerdings wird sie IBM nicht selbst in Serie fertigen, sondern wohl andere namhafte Chiphersteller. Das amerikanische Unternehmen hat sich auf die Entwicklung neuer Herstellungstechniken spezialisiert. Dank der dreidimensionalen Chip-Architektur könne das Mooresche Gesetz höchstwahrscheinlich ein weiteres Jahrzehnt Gültigkeit haben und den Transistor weiter schrumpfen lassen.
