Kompaktere Computerchips: Der Transistor erobert die dritte Dimension

Diese Innovation, die von Forschern des IBM-Forschungszentrums in Albany, New York, angeführt wird, markiert einen großen Sprung in der Miniaturisierung, der es ermöglicht, bis zu 100 Milliarden Transistoren auf einen Chip der Größe einer Briefmarke zu platzieren.

Ursprünglich von Intel-Mitbegründer Gordon Moore im Jahr 1965 formuliert, hat dieses Prinzip die Entwicklung von Mikroprozessoren geleitet. In den frühen Tagen enthielt die erste integrierte Schaltung, die 1958 von Jack Kilby erstellt wurde, nur vier Transistoren und hatte etwa die Größe einer Büroklammer. Bis in die 2000er Jahre waren die kleinsten Strukturen auf einem Pentium IV-Prozessor auf 100 Nanometer geschrumpft. Heute verfügen moderne Chips über Komponenten von nur zehn Nanometern, so dass etwa 20 Milliarden Transistoren auf eine Fingernagelgroße Oberfläche verpackt werden können. Jetzt treibt das neueste Design von IBM diese Dimensionen noch weiter voran.

Bis vor kurzem verließ sich die primäre Methode zur Verringerung der Transistorgröße auf die Verwendung kürzerer Wellenlängen von Licht in Photolithographieprozessen. 5 Nanometer ermöglichen die Erstellung von Funktionen von etwa sieben Nanometern. Wenn sich Transistoren jedoch über diesen Punkt hinaus schrumpfen, treten Leistungsprobleme auf. Wenn der leitende Kanal innerhalb eines Feldwirkungstransistors zu schmal wird, steigen die Leckströme, was zu Geräuschen und potenziellen Kurzschlüssen führt. Diese Probleme behindern die Zuverlässigkeit und Effizienz und tragen gleichzeitig zu einer höheren Wärmeerzeugung bei, eine Herausforderung, die mit zunehmender Leistung der Prozessoren stärker wird.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben IBM-Forscher einen dreidimensionalen Ansatz für die Chip-Architektur angenommen. Statt Transistoren in einem flachen, zweidimensionalen Layout zu ordnen, stapeln sie mehrere dünne Schichten Halbleitermaterial vertikal. Jede Schicht ist von einer Torelektrode umgeben, die den Stromfluss durch den Transistor steuert. Dieses Design ermöglicht eine bessere Kontrolle über elektrische Ströme und reduziert unerwünschte Leckagen erheblich. Es ermöglicht auch eine dichtere Anordnung von Transistoren und erhöht die Anzahl, die auf einer bestimmten Fläche platziert werden kann. Die einzelnen Transistoren selbst sind mehrere Nanometer groß und gehören damit zu den kleinsten, die jemals hergestellt wurden.

Dieser Fortschritt baut auf früheren Arbeiten des gleichen Teams auf. Vor fünf Jahren führte IBM einen Prototypen-Chip mit einer ähnlichen gestapelten Struktur ein, der eine Mindestgröße von zwei Nanometern erreicht und 50 Milliarden Transistoren auf einem Chip enthält, der kleiner als ein Fingernagel ist. Der jüngste Durchbruch stellt eine wesentliche Verbesserung dar und zeigt die Machbarkeit, die Miniaturisierung weiter in den Subnanometerbereich zu treiben. Da die Nachfrage nach schnelleren, effizienteren Computern weiter wächst, insbesondere in Bereichen wie künstlicher Intelligenz, Robotik und autonomen Fahrzeugen, werden Innovationen wie diese eine entscheidende Rolle bei der Erfüllung zukünftiger technologischer Anforderungen spielen.

Der Erfolg des neuen IBM-Chips deutet darauf hin, dass dreidimensionale Architekturen eine Schlüsselstrategie zur Überwindung der physikalischen Einschränkungen traditioneller zweidimensionales Design werden könnten.