3D-Transistoren werden das Mooresche Gesetz retten

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• Wie werden Computer immer schneller?

• Warum können Transistoren nicht immer kleiner werden?

• 3D-Transistoren werden Moores Gesetz retten

Jahrzehntelang haben schrumpfende Transistoren zu einem explosionsartigen Anstieg der Rechenleistung geführt, aber diese Tage neigen sich dem Ende zu. Die Frage ist: Wohin gehen wir jetzt? Das 3D-Design ist ein wichtiger Teil der Antwort.

Wie sind Computer immer schneller geworden?

Computerprozessoren bestehen alle aus Transistoren. Sie ermöglichen es Computern, „logische Operationen“ auszuführen, also Zahlen zu vergleichen und zu manipulieren. Kombiniert man genügend Transistoren, kommt man irgendwann dahin, wo wir heute sind: Computer, die Audio aufnehmen, Fotos machen und verarbeiten, Berechnungen durchführen, Videospiele rendern und sogar mit uns sprechen können.

Generell gilt: Je mehr Transistoren Sie haben, desto „intelligenter“ und leistungsfähiger ist Ihr Computer.

Als Transistoren erstmals erfunden wurden (um 1950), war ein einzelner Transistor etwa 2 Zentimeter (fast 1 Zoll) breit und sah eher wie eine Requisite aus einem Science-Fiction-Horrorfilm aus als wie ein funktionsfähiges Stück Technologie. Heute sieht das anders aus. Moderne Transistoren sind im Allgemeinen weniger als 60 Nanometer (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters) breit, was einer Größenreduzierung entspricht, die in etwa der Schrumpfung des Mondes auf die Größe einer Zitrone entspricht. Transistoren schrumpfen seit ihrer Erfindung stetig, sodass sich die Anzahl der Transistoren, die wir in eine bestimmte Fläche stopfen können, etwa alle 18–24 Monate verdoppelt, ein Phänomen, das allgemein als Mooresches Gesetz bezeichnet wird.

Heute können wir Milliarden von Transistoren in einen Mikroprozessor von der Größe einer Münze packen. Dadurch haben sich Computer von riesigen Maschinen, die ganze Gebäude einnahmen, zu Geräten gewandelt, die klein genug sind, um in der Tasche mitgeführt zu werden. Doch es gibt ein Problem: Transistoren werden zu klein.

Warum können Transistoren nicht immer kleiner werden?

Da Transistoren immer kleiner werden, wird es immer schwieriger, sie zuverlässig herzustellen. Selbst die besten verfügbaren Methoden führen zu Ausschuss, obwohl das nicht immer schlimm ist. Wenn Sie beispielsweise versuchen, eine 16-Kern-CPU herzustellen und nur die Hälfte der Kerne funktioniert, können Sie die defekten Kerne einfach deaktivieren und sie als 8-Kern-CPU verkaufen – ohne Schaden zu nehmen.

Manchmal wirken sich die Defekte jedoch auf etwas Kritisches aus, und das gesamte Produkt muss weggeworfen werden. Da Transistoren immer kleiner werden, ist dieses Problem schwerwiegender geworden.

Über reine Fertigungsprobleme hinaus tritt ein eigenartiger Effekt der Quantenmechanik – das Quantentunneln – problematisch häufig auf, wenn es um Schaltkreise im Nanomaßstab geht. Das Quantentunneln führt dazu, dass Elektronen manchmal an Orte gelangen, an die sie normalerweise nicht gelangen könnten, und das erschwert die Entwicklung von Prozessoren, die zuverlässig funktionieren.

Chips können breiter werden, um mehr Transistoren unterzubringen, doch das erschwert die Herstellung erheblich und macht den Entwurf der Mikrochips noch komplizierter.

Die Kombination aus erhöhten Herstellungsschwierigkeiten und den fundamentalen Grenzen der Physik hat uns fast ans Ende von Moores Gesetz gebracht, doch wo soll die Reise hingehen, angesichts der allgegenwärtigen Nachfrage nach besseren, intelligenteren und schnelleren Computern?

3D-Transistoren werden das Mooresche Gesetz retten

Transistoren auf einem Chip sind ein bisschen wie eine Inselstadt mit einstöckigen Gebäuden. Man kann die Gebäude nur so klein machen, dass sie unbrauchbar werden, und da man sich auf einer Insel befindet, kann man sich nicht unendlich ausbreiten. Genau wie Inselstädte werden moderne Transistoren so entworfen, dass sie den vertikalen Raum ausnutzen. Anstatt sie in einer flachen Ebene anzubringen, können sie vertikal nebeneinander angeordnet werden, sodass „Zeug“ auf derselben Grundfläche untergebracht werden kann.

CFET ist ein 3D-Design, das wir wahrscheinlich etwa in den frühen 2030er Jahren sehen werden.

Paper 29.6, „Demonstration eines komplementären Feldeffekttransistors (CFET) bei 48 nm Gate-Pitch für zukünftige Logiktechnologie
Skalierung“, S. Liao et al., TSMC)

Wie geschickt wir auch künftig bei der Gestaltung von Transistoren sein mögen, es lässt sich nicht vermeiden, dass das Ende von Moores Gesetz schneller naht, als es irgendjemandem lieb ist. 3D-Transistoren sind eine Möglichkeit, das Problem vorübergehend zu umgehen, aber sie sind nur ein Teil des Bildes. Es wird stärker darauf geachtet, Prozessoren zu entwickeln, die sich bei bestimmten Aufgaben auszeichnen – wie neuronale Verarbeitungseinheiten (NPUs) mit KI-Anwendungen – um die Leistung zu maximieren. Es besteht auch die Möglichkeit, dass neue Materialien bessere Eigenschaften aufweisen, die es ermöglichen, Transistoren der nächsten Generation noch weiter zu verkleinern, oder dass ein Durchbruch im Quantencomputing sie für alltägliche Anwendungen nützlicher macht, aber es gibt keine Garantien. Dies sind Optionen, die letztlich durch die Gesetze der Physik eingeschränkt sein könnten.