Computerchip 4.0

Die Elektronik erobert die dritte Dimension

Von Manfred Lindinger
 - 16:00

In der Mikroelektronik stößt die Miniaturisierungswelle allmählich an ihre Grenzen. Nur noch zehn Nanometer messen heutzutage die kleinsten Strukturen auf einem Computerchip. Bei fünf Nanometern liegt laut Experten die Untergrenze der bewährten Siliziumtechnologie. Bei noch kleineren Strukturen müsse man mit störenden quantenmechanischen Tunneleffekten rechnen, die die Funktionsfähigkeit der Bauteile stark einschränken. Im schlimmsten Fall kommt es zum Kurzschluss.

Um dennoch weiterhin mehr Bauteile und Schaltkreise auf einem Prozessor unterbringen zu können, setzen Wissenschaftler seit einiger Zeit verstärkt auf eine dreidimensionale Chip-Architektur. So haben Max Shulaker vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und seine Kollegen einen 3D-Chip entwickelt, bei dem Recheneinheit (CPU) und Datenspeicher übereinandergestapelt und dadurch in einem gemeinsamen Bauteil integriert sind. Dabei wurden klassische Siliziumschaltkreise mit digitalen Speicherelementen und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff kombiniert.

Seit einigen Jahren versuchen Chiphersteller, Prozessoren in Stapelbauweise herzustellen. Statt Schaltkreise auf einen Silizium-Wafer zu ätzen, stapelt man dünne Siliziumschichten mit Schaltkreisen übereinander. Dadurch ist bei gleicher Grundfläche eine größere Rechenleistung möglich. Allerdings hat man mit großer Wärmeentwicklung durch die in den Schaltkreisen fließenden elektrischen Ströme zu kämpfen. Je mehr Schichten man hat, umso wärmer wird es folglich, was zum Versagen der Bauteile führen kann.

Einen Ausweg bieten Schaltkreise, die man aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufbaut. Die zylindrischen Gebilde heizen sich weit weniger auf. Diesen Vorteil haben die Forscher um Shulaker bei ihrem dreidimensionalen Mikrochip ausgenutzt . Ein weiteres Novum: Der Arbeitsspeicher, der üblicherweise getrennt von der zentralen Recheneinheit auf einem eigenen Chip untergebracht ist, wurde in dem Bauteil mit eingebaut. Dadurch konnten Engpässe in der Datenübertragung zwischen Arbeitsspeicher und CPU, wie sie bei der gängigen horizontalen Chip-Architektur bisweilen auftreten, vermieden werden.

Vier Schichten, vier unterschiedliche Funktionen

Der 3D-Computerchip besteht aus insgesamt vier übereinander angeordneten Schichten mit jeweils unterschiedlichen Funktionen. Die unterste Ebene bilden klassische Schaltkreise auf Siliziumbasis. Dadurch lässt sich der Chip in einen herkömmlichen Computer integrieren. Darüber folgt eine Schicht mit den mehr als zwei Millionen Feldeffekt-Transistoren auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Sie bilden die zentrale Recheneinheit des Bauteils. Die dritte Schicht besteht aus einer Million nichtflüchtiger digitaler Speicherzellen aus Platin und Hafniumoxid. Diese Bauteile konservieren ihre Daten, auch wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist. Die oberste Lage bildet abermals eine Schicht aus Nanoröhrchen. Die filigranen Kohlenstoff-Zylinder – eine Million Stück sitzen auf einer fingernagelgroßen Fläche – werden hier nicht als Schalter wie in der zweiten Chip-Ebene genutzt, sondern als Sensoren.

Der Grund: Zur Demonstration der Funktionsweise des 3D-Stapelchips haben die Wissenschaftler ihr Bauteil nämlich verschiedenen Gasen und Dämpfen von Stickstoff, Zitronensaft sowie Bier und Wein ausgesetzt. Die flüchtigen Substanzen bewirkten, dass sich der elektrische Widerstand der Nanoröhrchen auf der obersten Chip-Etage auf charakteristische Weise änderte. Die Signale wurden über feine Metalldrähte an die darunterliegende Ebene weitergeleitet und in den Speicherzellen zwischengespeichert. Von dort führte der Weg zu den darunterliegenden Kohlenstoff-Transistoren, die die ankommenden Signale auswerteten und schließlich den entsprechenden Substanzen eindeutig zuordneten. Die Messergebnisse in Form von charakteristischen Mustern wurden mit einem Computer ausgelesen und dargestellt.

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„Durch den vertikalen Schichtaufbau können die von den Sensoren gemessenen Signale parallel verarbeitet und direkt gespeichert werden. Wir haben eine große Bandbreite bei der Datenübertragung von Etage zu Etage“, sagt Shulaker. Mögliche Anwendungsfelder für den 3D-Chip sieht er vor allem in der Robotik und in der Medizintechnik. Dort werden Sensorsysteme benötigt, die die registrierten Signale schnell speichern, analysieren und weiterverarbeiten. Der Chip hat noch eine andere Bedeutung. Durch die Verwendung von Nanoröhrchen anstelle von Silizium benötigten die Forscher bei der Herstellung ihres Bauteils mit gängigen lithographischen Verfahren nur Prozesstemperaturen von einigen hundert Grad. Würde man es komplett aus Silizium fertigen, wären rund 1000 Grad erforderlich, was zu heiß wäre für die Speicherzellen.

Noch kann der 3D-Chip, dessen Grundfläche 1,7 mal 2,2 Zentimeter beträgt, nicht mit herkömmlichen Siliziumbauteilen konkurrieren. So messen die aus den Nanoröhrchen bestehenden Feldeffekt-Transistoren rund einen Mikrometer. Für die praktische Anwendung müssten die Strukturen noch deutlich schrumpfen. Auch sind die Schaltspannungen von drei Volt bisher höher als bei herkömmlichen Prozessoren, wodurch der 3D-Chip viel elektrische Energie benötigt. Das Bauteil zeigt aber bereits, welche Richtung die Chipentwicklung einschlagen könnte, wenn die Miniaturisierung von Siliziumschaltkreisen an ihre Grenze gestoßen ist.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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