TechnikHalbleiterindustrie

Billiger, schneller, intelligenter

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Mirko Besch

Mirko Besch

freier Journalist

Im vergangenen Jahr wurde das Mooresche Gesetz 50 Jahre alt. Doch verschiedene Quellen prognostizieren ein baldiges Ende der berühmten Faustregel, die die Halbleiterindustrie von Beginn an bis heute entscheidend prägte. Denn die Produktion integrierter Schaltkreise scheint langsam, aber sicher an physikalische Grenzen zu stoßen.

21. April 2016

In einem am 19. April 1965 veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift „Electronics“ sagte der US-amerikanische Chemiker und Physiker Gordon Moore voraus, dass sich innerhalb der nächsten zehn Jahre die Anzahl der Transistoren auf einem Halbleiter alle zwölf Monate verdoppeln lässt – bei sinkenden Kosten. Bis 1975 hatte es dann zwar „nur“ neun statt zehn Verdoppelungen gegeben, dennoch war die Branche über die annähernd eingetretene Prognose verblüfft.

Änderungen der Zeitspanne
Auch in der Folgezeit wurden die Chips in kurzen Abständen immer kleiner und leistungsfähiger. Lediglich den Zeitraum der Verdoppelung korrigierte Moore später von einem auf zwei Jahre. Im Laufe der Zeit stellte sich heraus, dass diese Zeitspanne am genauesten mit 18 Monaten zu erfassen ist.

CPUs (Prozessoren), GPUs (Grafikprozessoren), SoCs (System-on-a-Chip) oder Flash-Speicher – Moore’s Law galt bisher für alle Halbleiter. Doch nach 51 Jahren mehren sich die Berichte, nach denen die Faustregel wohl bald keinen Bestand mehr haben wird. Intel-Chef Brian Krzanich hatte 2015 verkündet, dass Strukturverkleinerungen immer komplizierter und schwieriger und somit auch länger dauern würden – mittlerweile etwa 2,5 Jahre.

Kann Intel mithalten?
Derzeit haben die kleinsten Chips auf dem Markt Strukturbreiten von 14 Nanometer – ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Intels 14-nm-Prozessor „Broadwell“ beispielsweise besitzt auf einer Fläche von 131 Quadratmillimetern rund 1,3 Milliarden Transistoren. Noch für dieses Jahr peilen die Halbleiterhersteller Samsung und TSMC die Serienproduktion von 10-nm-Chips an, 2018 will TSMC dann 7-nm- und 2020 sogar schon 5-nm-Modelle auf den Markt bringen. Ob Intel mit dieser Entwicklungsgeschwindigkeit mithalten kann, ist fraglich. Nach derzeitigen Prognosen wird der Halbleiterriese seine 7-nm-Chips erst 2020 und zwei Jahre darauf seine 5-nm-Modelle auf den Markt bringen.

In der Forschung ist man dem aktuellen Marktgeschehen schon zwei Schritte voraus. So haben IBM, Globalfoundries und Samsung 2015 die ersten 7-nm-Testchips belichtet – und zwar mittels EUV-Lithografie (EUV: Extrem Ultraviolet). Mit dieser Technik können auf den Wafern feinste Strukturen mit extrem kurzwelligem Licht abgebildet werden. Bisher hatte die EUV-Lithografie aber den Nachteil, dass sie aufgrund schwacher Strahlungsquellen eine zu lange und somit unwirtschaftliche Belichtungsdauer benötigte. ASML und TSMC erreichten im vergangenen Jahr mit ihrem neuen System jedoch bereits eine Belichtung von 1022 Wafern innerhalb von 24 Stunden und haben somit die erste große Hürde auf dem Weg zur Serienproduktion überschritten. 

5 Nanometer – und dann?
Wie es nach der Strukturbreite von 5 Nanometern weitergeht, ist bisher unklar. Bei dieser Breite haben nur noch knapp 17 Siliziumatome nebeneinander Platz, bei noch kleineren Schaltelementen würden sich neben wirtschaftlichen Hindernissen vor allem physikalische Grenzen bemerkbar machen. Zum einen enthielten Transistoren dann nicht mehr genügend bewegliche elektrische Ladungen und könnten somit nicht wie gewohnt funktionieren, zum anderen würden quantenmechanische Effekte auftreten, durch die die erforderlichen Eigenschaften der Siliziumkristalle komplett verloren gehen könnten. Und nicht zuletzt würden neue Fertigungsprozesse aufgrund der immer höheren technischen Hürden künftig Investitionen in Milliardenhöhe nach sich ziehen, sodass die Kosten in keinem Verhältnis mehr zum erwarteten Gewinn stehen dürften. 

Produziert werden Computerchips auf Siliziumscheiben, sogenannten Wafern. Diese haben aktuell meist einen Durchmesser von 200 mm (8-Zoll-Wafer) oder 300 mm (12-Zoll-Wafer). Je nach Chipgröße lassen sich auf einem Wafer bis zu einige Hundert Chips herstellen. Das bedeutet: Je größer die Scheiben, desto mehr Chips auf einen Schlag. Daher diskutiert die Branche schon seit etwa zehn Jahren, ob und wann die Produktion auf 18-Zoll-Wafer mit 450 mm Durchmesser umgestellt werden soll. Ursprünglich sollte der Markteinstieg bereits 2013 erfolgen – Befürworter wie Intel hielten den Umstieg für nötig, um das Mooresche Gesetz am Leben zu erhalten. Doch der hohe Investitionsaufwand von schätzungsweise 10 Milliarden Dollar pro Mega-Fabrik und der Marktwandel bremsen die Einführung. Denn da Tablets und Smartphones PCs zunehmend verdrängt haben, sind statt Großserien mittlerweile kleine und mittlere Serien von Spezialchips gefragt. Manche Experten rechnen frühestens 2020 mit dem Start der Massenproduktion, andere sogar erst 2025 – wenn überhaupt. 

Andere Wege und Strategien
Aber ungeachtet dessen, ob das Mooresche Gesetz nun vorerst bestehen bleibt oder nicht, suchen Wissenschaftler und Hersteller längst nach anderen Wegen und Strategien, um die Performance von Computerchips zu steigern. Neue Materialien, Architekturen oder Konzepte wie der Quantencomputer könnten Möglichkeiten dafür bieten. Schließlich wird sich der Bedarf an immer schnelleren und leistungsfähigeren Chips auch dank immer neuer Anwendungsgebiete weiter vergrößern. Heutzutage werden Computerchips ja längst nicht mehr nur in Computern verbaut, sondern kommen mittlerweile auch in unzähligen Maschinen und Geräten wie zum Beispiel in Autos, Flugzeugen, Smartphones, Wearables sowie in der Energie- oder Medizintechnik und der Industrie zum Einsatz.

Allerdings ist die Entwicklung neuer Technologien teuer. IBM hatte 2014 verkündet, in den darauffolgenden fünf Jahren rund 3 Milliarden Euro in die Erforschung kleinerer Architekturen zu investieren. Auch das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützte Forschungsprojekt „SeNaTe“ (Seven-Nanometer-Technology) mit insgesamt 42 europäischen Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft ist im vergangenen Jahr mit dem Ziel gestartet, kleinere und kompaktere integrierte Schaltungen und damit Chips mit deutlich gesteigerter Rechenkapazität zu ermöglichen. Einer der Schwerpunkte des bis 2018 laufenden Projekts mit einem Volumen von 181 Millionen Euro liegt auf der Entwicklung neuartiger Litografieanlagen für die Strukturierung der Chips.

Hohe Investitionen
Und nicht zuletzt fördert die EU bis 2020 mit Investitionen in Höhe von 5 Milliarden Euro die Entwicklungen in der europäischen Mikro- und Nanoelektronik. Im Mittelpunkt der Strategie: billigere, schnellere und intelligentere Chips. „Ich möchte, dass sich unsere Chip-Produktion auf etwa 20 Prozent der Weltproduktion verdoppelt und dass Europa mehr Chips in Europa produziert als die Vereinigten Staaten im eigenen Land“, hatte Neelie Kroes, Vizepräsidentin der Europäischen Kommission, zum Start der Kampagne 2013 erklärt.

Die Halbleiterindustrie steht also vor großen Herausforderungen. Eine davon ist – wie bereits erwähnt – die Suche nach alternativen Materialien. Denn das seit Jahrzehnten als Basis der Elektronik verwendete Silizium ist hart und spröde – und damit wenig geeignet für flexible Geräte, die sich beispielsweise in Kleidung einarbeiten lassen. Zudem stößt die Größe von Silizium-Transistoren langsam an ihre physikalischen Grenzen. Das oft als Wundermaterial bezeichnete Graphen könnte die Lösung sein. Es ist flexibel, hauchdünn und beständiger als Stahl. Zudem ist laut Samsung die Elektromobilität von Graphen 100-mal höher als von Silizium. Das Problem: Bei der synthetischen Herstellung gingen bisher viele der herausragenden Eigenschaften verloren. Somit dürfte es wohl noch ein paar Jahre dauern, bis Graphen in marktreife Produkte Einzug halten wird.

Alternativen für Silizium
In Konkurrenz zu Graphen tritt seit vergangenem Jahr ein von der Technischen Universität München im Rahmen einer internationalen Kooperation hergestelltes Halbleiter-Material. Es besteht aus schwarzem Phospor, bei dem einzelne Atome durch Arsen ersetzt sind. Das Material bildet wie Graphen dünnste Schichten, verhält sich aber wie ein Halbleiter – anders als Graphen, dessen elektronisches Verhalten dem von Metallen ähnelt. Seine Stromleitfähigkeit lässt sich also innerhalb von Sekundenbruchteilen verändern. Ähnliche Eigenschaften besitzt zudem eine Materialklasse verschiedener Metallverbindungen. Bekanntester Vertreter ist Molybdändisulfid. Doch noch haben die Forscher dieser Welt längst nicht alle Möglichkeiten ausgelotet. Es bleibt also spannend.