Totgesagte leben länger

Sparsame Halbleitertechnik

Prozessoren beruhen seit den 1980er-Jahren auf der CMOS-Technologie. Entwickelt wurde dieses Fertigungsverfahren bereits zwei Jahrzehnte davor. Die Auflösung des Kürzels – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, auf Deutsch: „sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter“ – ist ein Beispiel für die vielen unverständlichen Begriffe, die in der Branche weit verbreitet sind. Kurz gesagt: CMOS hat den Vorteil, dass damit gefertigte integrierte Schaltungen sehr wenig elektrische Energie benötigen. Neben Prozessoren werden zum Beispiel auch Speicherchips und Kamerasensoren in CMOS gefertigt. Das Verfahren ist so etwas wie das Schweizer Taschenmesser der Halbleiterindustrie. Seit Jahrzehnten sind alle Investitionen darauf ausgerichtet. „Lange Zeit hatte CMOS den Vorteil, konkurrenzlos preiswert zu sein“, sagt Tobias Noll, der 1972 als Student seine erste elektronische Schaltung in dieser Technologie entwarf. „Inzwischen hat man 50 Jahre Erfahrung damit, und es existiert ein extrem umfangreiches Wissen.“ Noll ist emeritierter Professor und Co-Direktor eines der Institutsbereiche des Peter-Grünberg-Instituts am Forschungszentrum Jülich.

Das Material der Halbleiterindustrie schlechthin ist Silizium. Mit ihm ließen sich über Jahrzehnte hinweg recht problemlos immer leistungsfähigere CMOS-basierte Prozessoren bauen. Beim Sprung zur nächsten Generation musste man einfach alle Strukturen der Transistoren auf die Hälfte verkleinern, schon war Moores Gesetz erfüllt. „So erhöhte sich auch die Taktfrequenz – eine einfache und billige Methode, um die Rechenleistung zu steigern“, sagt Noll. Doch um die Jahrtausendwende war damit Schluss. Der Energiebedarf der Prozessoren hatte einen nicht mehr akzeptablen Wert erreicht. Zudem waren kritische Strukturen in den mikroelektronischen Bauteilen durch die Skalierung so klein geworden, dass manche Materialschichten nur noch 10 bis 15 Atomlagen dünn waren. Das führte zu erheblichen Leckströmen. Seither stagnieren die Taktfrequenzen der Computer. Zwar gelang es weiterhin, die Strukturen der Transistoren zu verkleinern, aber nicht mehr im Rhythmus von Moores Gesetz. Nur die Rechenleistung verdoppelte sich weiterhin gemäß Moore.

Dafür mussten Prozessoren energieeffizienter werden. Die Branche wusste sich zu helfen, mischte den Silizium-Strukturen andere Materialien bei, um die Energieverluste in den Griff zu bekommen – Germanium etwa, um die Ladungsträger in den Transistoren beweglicher zu machen, oder Hafniumoxid, das ein besserer Isolator ist als das zuvor verwendete Siliziumdioxid. „1972 nutzte die Industrie nur wenige chemische Elemente, inzwischen verwendet sie fast alle Elemente des Periodensystems“, verdeutlicht Noll die Entwicklung.

Zudem gab es seit den 1990er-Jahren entscheidende Änderungen in der Prozessorarchitektur. So können die Prozessoren seitdem mehrere Anweisungen parallel ausführen. Ihre Caches – Zwischenspeicher, um die Verarbeitung der Daten und der Rechenanweisungen zu optimieren – bekamen einen hierarchischen Aufbau. Damit stehen sie auf dem Prozessor näher am Ort der Berechnung zur Verfügung. Und kürzere Wege auf dem Chip bedeuten eine schnellere Datenverarbeitung. „Besonders die Veränderung der Caches war ein Innovationssprung“, meint Tobias Noll.

Mehrere Kerne je Prozessor

Ein weiterer Trend, um die Rechenleistung energieeffizient zu steigern, ist noch voll in Gang: Die zentrale Prozessoreinheit für Berechnung und Steuerung, Kern genannt, ist seit einigen Jahren gleich mehrfach auf jedem Chip vorhanden. Solche mehrkernigen Prozessoren können Aufgaben parallel abarbeiten – und damit auch effizienter. Inzwischen sind selbst achtkernige Prozessoren in Smartphones nichts Ungewöhnliches mehr. „Nach der Jahrtausendwende verbreiteten sich zudem rasch Grafikprozessoren, die typische Aufgaben der Bild- und Videoverarbeitung effizienter erledigen können als der Hauptprozessor“, berichtet Wolfgang Maier, Leiter des Bereichs Systementwicklung im Entwicklungszentrum von IBM in Böblingen. „Sie waren typische Vertreter einer Diversifizierung, die inzwischen auch Spezialprozessoren für Verschlüsselung und Künstliche Intelligenz umfasst.“ Bei diesen Anwendungen kann der Spezialprozessor bestimmte Aufgaben viel effizienter erledigen als der Hauptprozessor. „Für die nächste Prozessorgeneration wechselt man zum Beispiel nicht mehr von sechs auf zwölf Kerne, sondern lieber auf zehn Kerne plus Spezialprozessoren“, veranschaulicht Maier das dahinterstehende Prinzip.

Hand in Hand mit der Prozessorentwicklung geht die Entwicklung der Maschinen für die Fertigung der Chips per Fotolithografie. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit werden viele Prozessoren gleichzeitig auf einem Wafer hergestellt, meist mehrere Hundert. Bei diesen Wafern handelt es sich um Silizium-Scheiben von 30 Zentimeter Durchmesser. Das zuvor festgelegte Design eines Prozessors wird Schicht für Schicht auf dem Wafer erzeugt. Ausbelichtet wird per Laserstrahl. Masken sorgen dafür, dass immer nur die gewünschte Stelle vom Licht getroffen wird.

Der Standard bei der Belichtung ist bislang ultraviolettes Laserlicht. Allerdings reicht dessen Wellenlänge aus physikalischen Gründen eigentlich nicht aus, um zum Beispiel Strukturen von 20 Nanometern (0,02 Mikrometern) herzustellen. Deshalb muss man verschiedene Tricks anwenden, um der Physik ein Schnippchen zu schlagen. Das macht die Sache noch kniffeliger und aufwendiger, als sie ohnehin schon ist. „Wir sind bei den Strukturgrößen inzwischen so weit, dass gewöhnliches UV-Licht nicht mehr ausreicht“, sagt Systementwicklungsleiter Maier. „Deshalb sind bereits Maschinen mit extrem kurzwelligem UV-Licht im Einsatz, mit denen sich Strukturen von weniger als zehn Nanometern herstellen lassen.“

Enorme Investitionen der Industrie

Das kostet viel Geld. Beliefen sich die Investitionen für den Bau einer Halbleiterchip-Fabrik im Jahr 2000 noch auf rund eine Milliarde US-Dollar, liegen sie inzwischen beim 10- bis 15-Fachen. Leisten können sich das immer weniger Unternehmen. So gibt es nur noch drei Hersteller, die Prozessoren mit den derzeit fortschrittlichsten Produktionsverfahren fertigen können: Samsung, TSMC und Intel. Vor 15 Jahren waren es noch fast 20 Anbieter. Anders gesagt: Jeder Prozessor, der mit der neuen CMOS-Technologie entstanden ist, stammt aus Fabriken dieser drei Unternehmen – egal, wer den Prozessor designt hat.

Es ist klar, dass die Verkleinerung der Strukturen in einem Prozessor eine natürliche Grenze hat. Schließlich besteht alles aus Atomen, deren Zahl man nicht beliebig verringern kann, wenn ein Bauteil zuverlässig funktionieren soll. Doch das ist mehr eine theoretische Grenze, wie sich am Beispiel der Transistoren eines Prozessors zeigt. Ein Transistor ist ein Schalter. Steht er auf „an“, wandern Ladungsträger durch ihn hindurch, steht er auf „aus“, ist er für sie gesperrt. Ein sogenanntes Gatter öffnet und schließt den Kanal, durch den die Ladungsträger wandern. Es ist ein bisschen wie beim Schafezählen: Ist das Gatter offen, drängen die Tiere durch einen schmalen Gang, den Kanal, vom einen in den anderen Pferch. Ist das Gatter geschlossen, bleiben die Tiere dort, wo sie sind.

Doch anders als beim Schafezählen hängt die Sperrwirkung des Gatters im Transistor von seiner Länge ab. Bislang ist es der Halbleiterindustrie nicht gelungen, funktionsfähige Gatter zu fertigen, die weniger als knapp 20 Nanometer messen. Wäre das Gatter kürzer, würden – im übertragenen Sinn – einige Schafe durch das geschlossene Gatter gelangen. Und weil dieses Gatter und damit der ganze Transistor auf dem Prozessorchip eine Fläche beanspruchen, die kaum noch kleiner werden kann, lassen sich die Transistoren nicht mehr enger packen.

Design in 3D

Einen Ausweg bietet die dritte Dimension. Stellt man die Transistoren hochkant auf den Chip, benötigen sie weniger Fläche. Gleichzeitig kann das Gatter den Kanal des Transistors komplett umschließen, und nicht nur von einer Seite. So bekommt man das Gatter im ausgeschalteten Zustand wieder dicht. Erste, noch recht konventionelle dreidimensional gestaltete Prozessoren existieren seit einigen Jahren. „In den nächsten zwei bis sechs Jahren wird es immer besser ausgeklügelte 3D-Bauformen geben“, ist IBM-Entwickler Maier überzeugt. Und das gelingt weiterhin mit der CMOS-Technologie.

Zusätzlich zum dreidimensionalen Ansatz lassen sich Prozessoren durch eine geschickte Aufteilung auf mehrere Chips noch weiter verbessern. „Nähert man sich mit einem bestimmten Fertigungsprozess der optischen Auflösungsgrenze, entstehen auf großen Chips viele Herstellungsfehler, was die Sache unwirtschaftlich macht“, erklärt Maier. „Dann ist es besser, für einen Prozessor mehrere kleine Chips zu fertigen, die sich anschließend zu einer Einheit verbinden und verdrahten lassen.“ Das Verfahren wird als Packaging bezeichnet, es ist wie eine Art Kapselung.

Moores Gesetz bleibt gültig

Weitere Optimierungen im Kleinen an Einzelkomponenten und an der Architektur eines Prozessors, Mehrfachkerne und Spezialprozessoren, zur CMOS-Technik kompatible Materialien, eine dreidimensionale Anordnung der Transistoren sowie ein geschicktes Packaging – die Maßnahmen, die heute bereits greifen, werden auch für die Steigerung der Rechenleistung in den nächsten Jahren ausreichen. Moores Gesetz ist weiter aktuell. Das zeigt sich an der jährlich aktualisierten „International Roadmap for Devices and Systems“, herausgegeben von der internationalen Ingenieurorganisation IEEE. Es ist ein umfangreiches Konvolut, zu dem Experten aus aller Welt, aus Industrie und Forschung beitragen. Ein Kapitel befasst sich mit der Frage, wie es nach CMOS weitergehen wird. Doch auch in der Ausgabe der Roadmap von 2021 ist noch keine echte Alternative erkennbar. Im Gegenteil: Im betrachteten Zeitraum bis 2034 erfolgen alle geplanten Verbesserungen im Rahmen der CMOS-Technologie.

Auf einer Branchenkonferenz vor wenigen Jahren formulierte es An Chen – Vorsitzender der für das Kapitel „Beyond CMOS“ zuständigen IEEE-Arbeitsgruppe – sinngemäß so: Die CMOS-Technologie legt die Hürden für die Einführung einer alternativen Technologie sehr hoch. Anders gesagt: Bislang fand sich die Lösung für ein Problem immer innerhalb des CMOS-Kosmos – und das dürfte noch eine ganze Weile so bleiben.

IBM-Entwickler Maier verdeutlicht die grundlegende Schwierigkeit am Beispiel von Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhren. Sie sind eine der seit über einem Jahrzehnt gehandelten CMOS-Alternativen. Es sei gelungen, mehrere Hundert Millionen Transistoren aus Kohlenstoff-Nanoröhren auf einen Chip zu integrieren, berichtet Maier. „Aber der Sprung vom Labor in die Fabrik ist gewaltig“, betont er. „Die extreme Lebensdauer heutiger CMOS-Prozessoren ist inzwischen millionenfach bewiesen worden – allein das müssen Kohlenstoff-Nanoröhren-Prozessoren erst einmal nachmachen.“

Es ist nicht so, dass die Branche blind auf die etablierte Technik vertrauen würde. Die Forschung an Alternativen läuft bereits lange und wird weitergehen. Irgendwann werden sie unumgänglich sein, wenn die Rechenleistung weiter wachsen soll. Doch IBM-Experte Maier ist überzeugt, dass bei Prozessoren für Smartphones und für Server in Rechenzentren CMOS „auch noch in 20 Jahren eine entscheidende Rolle spielen wird“. Der Jülicher Forscher Noll will sich nicht ganz so stark festlegen, aber auch er ist sicher: „Die nächsten zehn Jahre bleibt CMOS maßgeblich.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…