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Intel: 3D-Chips für den Fortschritt

Immer schneller, immer effizienter: Mit einer neuen Chipgeneration und dreidimensionalen Transistoren sichert der amerikanische Chipkonzern Intel „Moore’s Law“.

Innovationen sind nicht planbar. Das ist in der Wirtschaft eine der größten Schwierigkeiten. Aber es gibt eine Branche, in der Innovationen einer Gesetzmäßigkeit zu folgen scheinen. Tatsächlich handelt es sich bei dem Gesetz zwar nur um eine Beobachtung, doch sie bewahrheitet sich wieder und wieder. Sie geht auf Gordon Moore zurück, einen Mitbegründer des Chipherstellers Intel, und stammt aus dem Jahr 1965. Die „Moore’s Law“ genannte Regel besagt, dass die Zahl der auf einen Chip gepackten Transistoren alle 18 bis 24 Monate verdoppelt werden kann. Die Verbraucher nehmen das längst mit Desinteresse zur Kenntnis. Die technischen Grundlagen für Verkaufsschlager wie internetfähige Smartphones, Tabletcomputer oder immer schnellere Laptops und Netzwerkrechner (Server) kümmern sie nur noch am Rande. Aber hinter den Kulissen spielt sich ein faszinierendes technisches Rennen ab.

Technisch dominiert wird der Wettlauf noch immer von Moores Unternehmen Intel. In dieser Woche hat der Weltmarktführer aus dem kalifornischen Silicon Valley einen neuen Durchbruch in der Fertigungstechnik verkündet. Das erste Mal seit ihrer Erfindung durch Jack Kilby und Robert Noyce vor mehr als 50 Jahren werden Silizium-Transistoren künftig aus einem revolutionären dreidimensionalen Aufbau bestehen. Intel nennt diesen Aufbau „Tri-Gate-Transistoren“. Der Intel-Vorstandsvorsitzende Paul Otellini ist naturgemäß begeistert: „Die Forscher und Entwickler bei Intel haben den Transistor neu erfunden, dieses Mal unter Einbeziehung der dritten Dimension.“

Vorstoß in bisher nicht erreichte Mikrostrukturen

Im Zuge der Weiterentwicklung seiner Chips stößt Intel zudem in bisher nicht erreichte Mikrostrukturen vor. Mit der jüngsten Fertigungsgeneration, der 22-Nanometer-Technik, können die Schaltungen für die Steuerung digitaler Signale (also von ein- und ausgeschaltetem Strom) noch dichter zusammengepackt werden als mit der derzeit genutzten 32-Nanometer-Architektur. Ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters. Und von den neuen 3D-Transistoren, die diese 22-Nanometer-Technik nutzen, werden die Signale eben nicht mehr nur horizontal, sondern auch in vertikaler Richtung transportiert.

Solche Transistoren sollen im ersten 22-Nanometer-Mikroprozessor mit dem Entwicklungsnamen „Ivy Bridge“ zum Einsatz kommen. Die traditionell „flache“ zweidimensionale Autobahn für den Stromtransport wird hier durch einen unglaublich dünnen dreidimensionalen „Grat“ ersetzt, der sich vertikal vom Siliziumsubstrat erhebt, was eine bessere Kontrolle des Stromflusses ermöglicht. Der Strom fließt besser, wenn der Transistor eingeschaltet ist (für mehr Rechenleistung), und es gibt weniger Verluste, wenn der Transistor ausgeschaltet ist (um Energie zu sparen). Für die kommenden Generationen haben Entwickler auch die Möglichkeit, die Höhe der „Grate“ weiter zu steigern und damit eine noch höhere Rechenleistung und Energieersparnis zu ermöglichen.

Forschungsingenieure waren sich schon lange der Vorteile einer 3D-Struktur bewusst, mit der es möglich ist, das Mooresche Gesetz fortzuschreiben, obwohl die Dimensionen immer kleiner werden und physikalische Gesetze die Grenze für die weitere Entwicklung darstellen. Nun steht diese Technik vor der Serienreife, und das geht die ganze Welt an: Schließlich wirken sich die Größe und Konstruktion der Bauteile direkt auf den Preis, die Geschwindigkeit, die Temperaturentwicklung und den Stromverbrauch eines Prozessors aus. Kleinere Transistoren sind günstiger in der Herstellung, schalten schneller, benötigen eine geringere Versorgungsspannung, erzeugen weniger Abwärme und haben einen niedrigeren Stromverbrauch.

Eine Frage der Gewichtung: Mehr Leistung oder weniger Stromverbrauch?

Chipdesigner können Transistoren abhängig vom Anwendungsgebiet entweder in Richtung Leistung oder in Richtung Stromverbrauch optimieren. Im Vergleich zu den bisherigen zweidimensionalen Transistoren benötigen Tri-Gate-Transistoren weniger Schaltstrom, stellen dabei aber nach Angaben von Intel bis zu 37 Prozent mehr Schaltgeschwindigkeit zur Verfügung. Intel geht es mit den neuen Prozessoren vor allem um die Leistung. Die ersten Chips, die mit der neuen Technik produziert werden, sind daher für Personal Computer und Server bestimmt – und damit für Märkte, die nach wie vor von Intel dominiert werden.

Prozessoren für kleinere Geräte wie Smartphones kommen noch nicht. Hier sei der Einstieg in die 22-Nanometer-Technik und die neuen Transistoren zwar ein notwendiger, aber noch kein ausreichender Schritt, erklärte Intel. Auf diesen Märkten ist das Unternehmen gegenüber der Konkurrenz ins Hintertreffen geraten. Es gibt Anbieter wie zum Beispiel ST Microelectronics, die glauben, mit einer anderen Konstruktion mit dem Namen „Silicon on insulator“ beim Energiesparen erfolgreicher zu sein. Hier befinden sich die weiterhin zweidimensionalen Schaltkreise auf Basis von Siliziumsubstraten auf einem isolierenden Material, das eine geringe Leistungaufnahme ermöglicht.

Gleichwohl: „Die Leistungssteigerung und Energieersparnis der 3D-Transistoren sind nicht vergleichbar mit dem, was wir bisher gesehen haben“, ist Mark Bohr überzeugt, der mit der Entwicklung betraute Intel Senior Fellow. „Dieser Durchbruch ist viel mehr als eine Fortschreibung des Mooreschen Gesetzes. Die Vorteile, die wir bei geringerer Kernspannung sehen, übertreffen bei weitem das, was wir normalerweise sehen, wenn wir eine neue Prozessgeneration einführen.“

Fundamentaler Wandel 

Auch der Forrester-Analyst Richard Fichera glaubt daran, dass die Dreidimensionalität einen fundamentalen Wandel in der Geometrie von Halbleitern einläutet. „Diese Technologie wird im Laufe der Zeit zum Standard bei allen Intel-Produkten werden“, schreibt er in seinem Blog. Diese Tri-Gate-Technologie selbst ist auch gar nicht mehr so neu. 2002 stellte Intel zum ersten Mal den Ansatz vor. Auch andere Hersteller wie IBM forschen an diesen dreidimensionalen Strukturen. Doch Intel ist der erste Hersteller, der jetzt in der Lage sein will, die Technologie in großen Stückzahlen zu produzieren.

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