Wie klein können Computer-Chips werden?

Man hört ja immer wieder, dass die Computer-Chiphersteller alle paar Jahre ihre Fertigungsmethoden auf eine kleinere Stufe verbessern, wodurch die gesamte Chiparchitektur verbessern kann und weniger Abwärme produziert wird. Zuletzt hat ja Prozessorhersteller Intel seine Fertigung von 45 nm auf 32 nm umgestellt. Doch wie klein kann die Chipherstellung noch werden? Ist irgendwann ein physikalisches Limit erreicht oder werden wir irgendwann 0,01 nm-Chips erleben?

ich denke schon, dass es irgendwann auch 0,1 nm Chips geben wird, denn mit feinen Werkzeugen ist eigentlich alles möglich, wer hätte vor 10 Jahren gedacht, dass es heute in einigen Handys schon Prozessoren mit 2 mal 1 Ghz gibt, wo sie damals gerade in Standrechner eingezogen sind. Ich denke nicht, dass es bei Chipgrößen ein Limit gibt, in ein paar Jahren werden wir es sehen

Ich denke schon, dass es irgendwann eine physikalische Grenze gibt. Denn Elektronik basiert ja darauf, dass es Ladungen gibt, die in ihren Bahnen bleiben. Wird der Abstand der Bahnen zu klein, könnten die Ladungen rüberspringen und man hätte einen Kurzschluss. Also irgendwann wird sicherlich Schluss sein, aber wann genau - das weiß wohl nur ein Physiker

Der Chipherstellung sind sicher physikalische Grenzen gesetzt. Ein Querschnitt eines Leiters kann nicht eine unbegrenzte Anzahl von Elektronen transportieren. Je mehr Elektronen transportiert werden müssen, um so größer muss der Querschnitt eines Leiters sein. Um irgendwann Chips noch kleiner zu machen, müsste zukünftig sicher ein Augenmerk auf den Stromverbrauch gelegt werden. Oder aber man sucht sich Alternativen wie optische Chips bzw. Quantenchips.

Schauen wir einfach mal, was uns die Zukunft bringt.

Wir sind mit den neuesten 32nm und 28nm Technologien schon sehr nahe an den Grenzen des physikalisch Machbaren. Eigentlich hat man schon mehrfach die Physik "austricksen" müssen, um überhaupt solche Strukturen zu ermöglichen.

Die Probleme, die dabei entstehen, sind sehr vielfältig. Ein Problem ist, dass mit der geringeren Strukturbreite auch die Gateoxiddicke der Transistoren auf dem Chip kleiner werden. Inzwischen ist man bei Dicken von nur noch wenigen Atomlagen angekommen. Es ist extrem schwierig solche Chips ohne Defekte zu fertigen.

Außerdem entstehen an diesen dünnen Isolationslagen extreme Feldstärken, die irgendwann wie ein Blitz bei einem Gewitter überschlagen und damit den Chip zerstören. Das ist einer der vielen Gründe, wieso die Versorgungsspannung der Chips immer weiter gesenkt werden muss. Die auftretenden Feldstärken sind noch an anderer Stelle problematisch, jedoch konnte man hier mit neuen Transistortechnologien noch Abhilfe schaffen.

Ein anderes Problem sind die Leiterbahnen: Dort entstehen inzwischen sehr hohe Stromdichten, die möglicherweise zu Elektromigration führen. Das bedeutet im Prinzip, dass der Strom auch Material transportiert und dadurch natürlich den Chip schädigen kann.

Außerdem ist natürlich auch die Verlustleistung ein Problem. Zwar konnte die absolute Verlustleistung gesenkt oder beibehalten werden. Jedoch ist auch die Fläche, auf der diese Leistung entsteht, kleiner geworden. Es wird also schwieriger, die Wärme aus dem Chip zu bekommen. Dazu kommt noch ein anderer Aspekt: Es gibt in einem Chip verschiedene Arten von Verlustleistung: Statische Verlustleistung entsteht auch, wenn die Transistoren nicht schalten und dynamische Verlustleistung, die bei Schaltvorgängen entsteht. Bisher war die dynamische Verlustleistung überwiegend, ab 90nm oder 65 nm ist jetzt aber physikalisch bedingt die statische Verlustleistung domninierend. Auch hier hat man schon einige Tricks angewendet, um das in Griff zu bekommen, aber bei noch kleineren Strukturen wird das auch ein noch größeres Problem werden.

Alles in allem werden wir langsam an die physikalischen Grenzen kommen und man muss sich andere Maßnahmen überlegen, um die Komplexität von Chips noch weiter steigern zu können. Ich gehe aber mal davon aus, dass daran schon sehr intensiv geforscht wird. Viele kreative Konzepte sind ja schon in die heutigen Chips eingeflossen, um überhaupt solche Strukturbreiten zu ermöglichen.

Wie Weasel schon sagt, wir sind schon nahe an den physikalischen Grenzen angelangt. Allerdings hat er noch einen wichtigen Aspekt vergessen, und zwar die Fertigung.

Wir sind inzwischen bei 32nm und 28nm-Strukturen angelangt, d.h. die minimale Breite bzw. der minimale Abstand zwischen einzelnen Elementen liegt in diesen Größenordnungen. Weiterhin werden Prozessorstrukturen u.ä. ja im Lithografieverfahren hergestellt. Man kann sich das vereinfacht vorstellen wie wenn ein Film entwickelt wird. Es wird eine Schablone auf eine Oberfläche gelegt und dann "belichtet".

Vergleicht man nun einmal die Wellenlänge des Lichts (400-700nm) mit den herzustellenden Strukturen, sieht man, daß man jetzt schon zu energiereicherer (=kleinere Wellenlänge) Strahlung greifen muss, um überhaupt so kleine Strukturen herstellen zu können (sichtbares Licht würde schon garnicht mehr durch die Schablone passen).

Man kann jedoch nicht einfach die Wellenlänge weiter verkürzen, da man irgendwann im Bereich der Röntgenstrahlung bzw. radioaktiven Strahlung landet. Und dort ist natürlich Schluss.

Stimmt, die Lithographie habe ich jetzt einmal nicht betrachtet. Allerdings werden auch heutzutage schon Techniken verwendet, die Strukturen deutlich unter der Wellenlänge der Belichtung ermöglichen. Bis man hier also bei Röntgenstrahlung ankommt, wären wir also wahrscheinlich schon bei Strukturbreiten unter der Größe eines Atoms. Von daher ist die Lithographie eigentlich keine Beschränkung der Physik.

Allerdings werden die Masken natürlich immer teurer, da sie sehr präzise hergestellt werden müssen. Außerdem werden immer mehr Verdrahtungslagen auf dem Chip verwendet, es sind also auch mehr Masken notwendig. Allerdings ist das eine rein wirtschaftliche Beschränkung - kleinere Strukturen erfordern also immer höhere Stückzahlen, um wirtschaftlich Chips herstellen zu können.