Nano für die Elektronik

Hoppla, der Transistor ist geschrumpft

Von Manfred Lindinger
02.12.2021
, 10:49
Dieser 300-Millimeter-Wafer enthält fast zehnmal so viele 2-nm-Transistoren, wie es weltweit Bäume gibt.
Die Miniaturisierungswelle in der Halbleiterelektronik ist ungebrochen. Nun hat IBM den ersten Zwei-Nanometer-Chip vorgestellt.
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Noch kleiner und noch schneller sollen sie werden, die Halbleiterchips in unseren Computern und Smartphones. Ohne leistungsfähige Computerchips gäbe es keine Smartphones, Künstliche Intelligenz und Robotik. 5G, die Industrie 4.0 oder autonom fahrende Autos wären undenkbar. Und deshalb wird sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip wohl auch im kommenden Jahrzehnt weiterhin etwa alle eineinhalb Jahre verdoppeln und werden die Strukturen entsprechend schrumpfen, ganz so wie es Gordon ­Moore 1965 prognostizierte.

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Während der erste integrierte Schaltkreis – 1958 von Jack Kilby aus vier Transistoren und aus vier Kondensatoren gebaut – noch die Größe einer Büroklammer hatte, betrugen um die Millenniumswende die kleinsten Strukturen auf einem fingernagelgroßen Pentium-IV-Prozessor mit seinen hundert Millionen Schaltern bereits 100 Nanometer. Heute sind die winzigsten Details auf einem modernen Mi­krochip auf rund sieben Nanometer geschrumpft. Und alle namhaften Chiphersteller rüsten für den nächsten großen Sprung. Und dieser ist in diesem Jahr gelungen: Forscher um Huiming Bu vom IBM-Forschungszentrum in Albany (New York) haben einen Computerchip entwickelt, dessen kleinste Strukturen nur noch zwei Nanometer messen.

Die Eroberung der dritten Dimension

Dank der speziellen Fabrikationstechnik können 50 Milliarden Feldeffekt-Transistoren auf einem Chip von der Größe einer Briefmarke untergebracht werden. Wie Bu in seinem Breakthrough-Vortrag in Berlin berichtete, verspricht dieser Chip eine um 45 Prozent höhere Leistung und einen um 75 Prozent niedrigeren Energieverbrauch als die heute verfügbaren 7-Nanometer-Chips, die in den meisten Smartphones stecken.

Winzige Transistoren: Die sogenannten „2nm Nanosheet Devices“
Winzige Transistoren: Die sogenannten „2nm Nanosheet Devices“ Bild: IBM

Lange glaubte man, mit immer kürzeren Laserwellenlängen immer feinere zweidimensionale Strukturen in die dünnen Siliziumscheiben ätzen zu können. Doch wird der leitfähige Kanal zwischen den drei Elektroden des Transistors zu eng, können Kriechströme fließen, die Störungen verursachen. Deshalb war bei etwa zehn Nanometern Schluss. Um dennoch weiterhin mehr Bauteile und Schaltkreise auf einem Prozessor unterbringen zu können, setzen die IBM-Forscher auf eine dreidimensionale Chip-Architektur.

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Die Transistoren bestehen jetzt aus jeweils drei übereinandergestapelten leitfähigen flachen Leiterbahnen. Jede ist von der Gate-Elektrode, die den Stromfluss im Transistor steuert, vollständig umschlossen. Kriechströme haben keine Chance mehr. Diese Architektur erlaubt es Transistoren, extrem dicht zu packen. Zudem sind kürzere Schaltzeiten, höhere Rechenleistungen bei einer geringen Wärmeentwicklung möglich, wie Labormessungen gezeigt haben. Bis die Computer der Rechenzentren mit 2-Nanometer-Chips ausgestattet werden können, wird es aber noch dauern. Bu rechnet in zehn Jahren mit der Massenproduktion der schnellen Chips.

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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