IBM hat ein Wunder für die Chipindustrie vollbracht.

IBM hat offiziell die weltweit erste Technologie angekündigt, die in der Lage ist, Chips mit einer Größe von weniger als 1 nm herzustellen und damit die Gültigkeit des Mooreschen Gesetzes um mindestens weitere 10 Jahre zu verlängern.

Am 26. Juni kündigte IBM offiziell an, dass es sich nach eigenen Angaben um die weltweit erste Technologie handelt, die in der Lage ist, Chips mit einer Größe von weniger als 1 nm herzustellen.

Der neue Chip-Prototyp von IBM misst demnach nur 0,7 nm und enthält rund 100 Milliarden Transistoren auf einer Fläche von der Größe eines Fingernagels. Zum Vergleich: Diese Dichte ist doppelt so hoch wie die der fortschrittlichsten Technologie, die das Unternehmen 2021 vorgestellt hat.

Dieses Design könnte den Weg für schnellere und energieeffizientere Computersysteme in den kommenden Jahren ebnen.

Wissenschaftler glauben sogar, dass diese neue Architektur eines Tages zur Herstellung von Transistoren mit einer Größe von nur 0,1 nm führen könnte.

Ein Meilenstein nach vorn

Im Jahr 1963, während seiner Tätigkeit bei Fairchild als Forschungs- und Entwicklungsdirektor, verfasste Gordon Moore ein Kapitel, in dem er die Vorläufer des berühmten gleichnamigen Gesetzes beschrieb.

Das 1965 entdeckte Mooresche Gesetz ist zum Leitprinzip für den Fortschritt der Halbleitertechnologie geworden. Laut diesem Gesetz verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre, während sich der Stromverbrauch halbiert.

Das Mooresche Gesetz bleibt mindestens weitere 10 Jahre gültig. Foto: Intel.

Moore fügte dann noch zwei weitere Konsequenzen hinzu: Technologische Fortschritte würden die Computerherstellung zunehmend verteuern, und die Verbraucher würden am Ende weniger für Computer bezahlen, weil so viele verkauft würden.

Auch nach einem halben Jahrhundert gilt das Mooresche Gesetz noch immer. Als Intel Anfang der 1970er-Jahre seinen ersten Prozessorchip auf den Markt brachte, besaß dieser lediglich 2.000 Transistoren, doch heute verfügt ein Prozessorchip in einem iPhone über Milliarden von Transistoren.

Seit über 50 Jahren entwickeln Chiphersteller immer leistungsfähigere Computer, indem sie dem Kernprinzip des Mooreschen Gesetzes folgen: immer mehr Transistoren auf einem einzigen Chip unterzubringen.

Um dies zu erreichen, verkleinern sie kontinuierlich die Transistoren – winzige Schalter, die Berechnungen durchführen.

In den letzten 15 Jahren hat die Größe von Transistoren jedoch die Grenze erreicht, ab der die Quantenmechanik ihre Funktionsweise beeinflusst: nur noch wenige zehn Nanometer. Anders ausgedrückt: Es gab eine Zeit, in der Wissenschaftler glaubten, Transistoren ließen sich nicht weiter miniaturisieren.

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Um dieses Problem zu lösen, haben Ingenieure branchenweit einen Wechsel zu einem in der Stadtplanung bekannten Ansatz vorgeschlagen. Konkret sieht die neue Architektur vor, anstatt die Chipfläche zu vergrößern, „höher zu bauen“, um mehr Transistoren unterzubringen.

Auch der neue Chip von IBM nutzt diese Strategie. Die neue Architektur, Nanostacking genannt, stapelt Transistoren vertikal in zwei Schichten auf einem Silizium-Mikrochip.

„Schichttorte“

Laut MIT Technology Review haben die Ingenieure von IBM den neuen Chip Schicht für Schicht entwickelt, ähnlich wie beim Backen eines Kuchens.

Zunächst werden Transistoren auf einer Siliziumschicht hergestellt. Anschließend wird eine weitere Siliziumschicht auf diese Bauelemente aufgebracht und direkt darüber eine zweite Transistorschicht gefertigt. Abschließend werden die beiden Bauteilschichten elektrisch miteinander verbunden.

Der neue Chip-Prototyp von IBM misst nur 0,7 nm. Foto: IBM.

Laut Qing Cao, Professor für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik an der Universität von Illinois, wird diese vertikal gestapelte Struktur, die zwei verschiedene Transistortypen kombiniert, als Feldeffekttransistor (CFET) bezeichnet.

IBM ist nicht das einzige Unternehmen, das diesen Ansatz verfolgt. Die weltweit größten Chiphersteller wie Intel, Samsung , TSMC und das konkurrierende Labor Imec in Belgien forschen alle an CFETs.

IBM erklärte jedoch, dass sich ihr Design dadurch unterscheidet, dass die Transistoren der zweiten Schicht nicht direkt über den Transistoren der ersten Schicht angeordnet sind.

Stattdessen sind sie versetzt angeordnet. Der amerikanische Computerriese behauptet, diese Anordnung vereinfache unter anderem die Verkabelung.

Professor Cao merkte derweil an, dass die CFET-Technologie in IBMs Nanostack-Architektur im Gegensatz zu einer anderen gängigen Methode zur Herstellung von zweilagigen Chips stehe.

Üblicherweise fertigen Ingenieure Transistoren auf jeder Chipschicht unabhängig voneinander, bevor die beiden Schichten miteinander verbunden werden. Das von IBM angewandte Direktfertigungsverfahren ermöglicht jedoch eine präzisere Ausrichtung der Schichten, was angesichts der extrem geringen Größe der Transistoren ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit ist.

Zukünftig könnten Chiphersteller versuchen, die Transistordichte durch den Aufbau noch weiterer Schichten zu erhöhen.

Einblick in die Nanostack-Architektur von IBM. Foto: IBM.

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Laut Professor Cao werden sie jedoch auf erhebliche praktische Hindernisse stoßen. Der Herstellungsprozess ist stets mit Fehlern behaftet, sodass ein gewisser Prozentsatz der Chips beim Versand defekt sein wird.

„Hier wird eine weitere Schicht auf die vorherige aufgebaut. Wenn also die oberste oder die unterste Schicht ausfällt, ist der gesamte Chip unbrauchbar“, erklärte Cao. Anders ausgedrückt: Im Vergleich zu einem einlagigen Chip steigt die Ausfallrate bei einer mehrlagigen Architektur, was zu erheblichen Kostenverlusten führt.

Eine weitere zentrale Herausforderung ist die thermische Auslegung. Ingenieure müssen herausfinden, wie sie jede Schicht fertigen können, ohne die Verbindungen der unmittelbar darunter liegenden Schicht zu beschädigen.

Dies erfordert, dass die Fertigungsprozesse bei Temperaturen unter 400 Grad Celsius durchgeführt werden. IBM hat in seiner Architektur einen Weg gefunden, die zweite Schicht bei einer ausreichend niedrigen Temperatur herzustellen, wobei das Unternehmen die genaue Vorgehensweise streng geheim hält.

Quelle: https://znews.vn/ibm-lam-nen-ky-tich-cho-nganh-chip-post1663285.html