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Links: Planarer Transistor in 32 nm. Der gelb angedeutete Strom fließt in einer Ebene unter dem Gate. Rechts: 3D Tri-Gate in 22 nm. Der Strom fließt hier auf drei Seiten der "Schwanzflossen".
Detailansicht der 3D-Strukturen im Tri-Gate-Aufbau.

Intel hat einen bedeutenden Durchbruch in der Transistortechnologie bekannt gegeben. Das erste Mal seit deren Erfindung vor über 50 Jaren werden Silizium-Transistoren aus einem revolutionären dreidimensionalen Aufbau bestehen. Diese sogenannten Tri-Gate-Transistoren – das erste Mal im Jahr 2002 von Intel gezeigt – werden in der Massenproduktion von Intel Chips mit einer Strukturgröße von 22 Nanometer (nm) mit dem Codenamen Ivy Bridge zum Einsatz kommen.  Ein Nanomenter ist der milliardste Teil eines Meters.

Transistoren sind die winzigen Bausteine moderner Elektronik. Die dreidimensionale Struktur der Tri-Gate-Transistoren löst die bisherige zweidimensionale Planar-Bauform ab. Diese Bausteine befinden sich nicht nur in allen Chips für Computer, Mobiltelefone und in der Unterhaltungselektronik, sondern auch in Autos, Raumschiffen, Haushaltsgeräten, medizinischen Geräten und vielen tausend anderen Geräten, die wir tagtäglich seit Jahrzehnten verwenden.

„Die Forscher und Entwickler bei Intel haben den Transistor neu erfunden, dieses Mal unter Einbeziehung der dritten Dimension,“ sagt Intel Präsident und CEO Paul Otellini. „Erstaunliche Geräte, die die Welt beeinflussen werden, sind durch diese Weiterentwicklung des Mooreschen Gesetzes in neue Bereiche hinein vorstellbar.“

Forschungsingenieure waren sich schon lange der Vorteile einer 3D-Struktur bewußt, mit der es möglich ist, das Mooresche Gesetz fortzuschreiben, obwohl die Dimensionen immer kleiner werden und physikalische  Gesetze die Grenze für die weitere Entwicklung darstellen.  Der Schlüssel in diesem Durchbruch liegt in der Fähigkeit von Intel, sein neuartiges Design der 3D-Tri-Gate-Transistoren in die Massenproduktion einzuführen und damit nicht nur für das Mooresche Gesetz eine neue Ära einzuläuten, sondern auch die Tür zu einer neuen Generation von Innovationen  über ein breites Spektrum von Geräten zu öffnen.

Das Mooresche Gesetz ist eine Vorhersage der Weiterentwicklung in der Siliziumtechnologie, die besagt, dass sich ungefähr alle zwei Jahre die Transistorendichte verdoppelt, währenddessen die Funkionalität und Rechenleistung steigen, aber die Kosten fallen. In den letzten 40 Jahren ist das Mooresche Gesetz zum grundlegenden Geschäftsmodell der Halbleiterindustrie geworden.

Bislang unerreichte Energieersparnis und Rechenleistung

Dank neuer Technologien können die Schaltelemente auf den Prozessoren, die Transistoren, immer kleiner gebaut werden. Die Größe der Bauteile wirkt sich direkt auf den Preis, die Geschwindigkeit, die Temperaturentwicklung und den Stromverbrauch eines Prozessors aus. Kleinere Transistoren sind günstiger in der Herstellung, schalten schneller, benötigen eine geringere Versorgungsspannung, erzeugen weniger Abwärme und haben einen niedrigeren Stromverbrauch. Chip Designer können Transistoren abhängig vom Anwendungsgebiet entweder in Richtung Leistung oder in Richtung Stromverbrauch optimieren.

Im Vergleich zu aktuellen zweidimensionalen 32-nm-Transistoren benötigen die 22 nm 3D-Tri-Gate-Transistoren weniger Schaltstrom, stellen dabei aber bis zu 37 Prozent mehr Schaltgeschwindigkeit zur Verfügung. Dieser Fortschritt bedeutet, dass Prozessoren mit 3D-Tri-Gate-Transistoren für den Einsatz in kleinen tragbaren Geräten ideal geeignet sind, da diese mit niedrigem Schaltstrom auskommen müssen. Auch in anderen Anwendungsgebieten zeichnen sich die neuen Transistoren dadurch aus, dass sich bei gleicher Rechenleistung im Vergleich zu 32 nm 2D-Transistoren der Strombedarf halbiert.

„Die Leistungssteigerung und Energieersparnis der 3D-Transistoren sind nicht vergleichbar mit dem, was wir bisher gesehen haben,“ sagt Mark Bohr, Intel Senior Fellow. „Dieser Durchbruch ist viel mehr als eine Fortschreibung des Mooreschen Gesetzes. Die Vorteile, die wir bei geringerer Kernspannung sehen, übertreffen bei weitem das, was wir normalerweise sehen, wenn wir eine neue Prozessgeneration einführen. Produktdesiger können damit existierende Geräte intelligenter machen und ganz neue Geräte werden dadurch möglich. Ich glaube, dass dieser Meilenstein die Technologieführerschaft von Intel in der Halbleiterbranche noch weiter ausbaut.“

Fortführung des Tempos bei Innovationen – das Mooresche Gesetz

Transistoren werden kleiner, günstiger und energiesparender in Übereinstimmung mit dem Mooreschen Gesetz – benannt nach dem Mitbegründer von Intel, Gordon Moore. Deswegen war es Intel möglich, Innovation und Integration voranzutreiben, neue Funktionen und Rechenkerne einzubauen, die Rechenleistung zu erhöhen und die Herstellungskosten pro Transistor zu reduzieren.

Das Mooresche Gesetz einzuhalten wurde mit der 22-nm-Generation noch komplexer. Dies bereits ahnend entwickelten Intels Forschungsingenieure den – wie sie ihn nannten – Tri-Gate-Transistor im Jahr 2002, in Anlehnung an die drei Seiten eines Gates. Nach einigen Jahren der Entwicklung folgt mit dem heutigen Tag in einem fein abgestimmten Prozess zwischen Forschung, Entwicklung und Herstellung die Einführung dieser Entwicklung in die Massenherstellung.

Die 3D-Tri-Gate-Transistoren sind eine Neuerfindung des Transistors. Das traditionelle flache zwei-dimensionale Gate wird durch einen unglaublich dünnen drei-dimensionalen Grat ersetzt, der sich vertikal vom Siliziumsubstrat erhebt. Das Gate der 2D-Planar-Transistoren wird also in die dritte Dimension erweitert und umschließt auch auf den beiden Seiten diesen Grat, was eine bessere Kontrolle des Stromflusses ermöglicht. Der Strom fliesst so besser, wenn der Transistor eingeschaltet ist (für mehr Rechenleistung) und  es gibt weniger Verluste, wenn der Transistor ausgeschaltet ist (um Energie zu sparen). Durch den sehr dünnen Grat kann der Transistor schneller als bisher zwischen diesen beiden Zuständen wechseln (wieder für mehr Rechenleistung).

Genauso wie Architekten den verfügbaren Platz besser nutzen, in dem sie Hochhäuser bauen, kann Intel die Transistordichte besser verwalten, was durch die Struktur der 3D-Tri-Gate-Transistoren ermöglicht wird.

Da diese Grate senkrecht in die Höhe zeigen, können die Transistoren enger zusammengefügt werden, was ein wichtiger Punkt für die weitere Einhaltung des Mooreschen Gesetzes ist. Für die kommenden Generationen haben Entwickler auch die Möglichkeit, die Höhe der Grate zu steigern und damit noch höhere Rechenleistung und Energieersparnis zu ermöglichen.

„Über Jahre hinweg haben wir uns Grenzen gegenübergesehen, wie klein Transistoren werden können“ sagte Moore. „Diese Änderung in der grundsätzlichen Struktur ist in der Tat ein revolutionärer Ansatz und einer, der es sowohl dem Mooreschen Gesetz, als auch dem historischen Innovationstempo ermöglicht, weiter zu bestehen.“

Weltweit erste Demonstration von 3D-Tri-Gate-Transistoren auf 22 nm

Der erste 3D-Tri-Gate-Transistor von Intel wird im nächsten Herstellungsprozess mit 22 nm Strukturgröße realisiert. Sechs Millionen dieser Tri-Gate-Transitoren würden in dem Punkt am Ende dieses Satzes Platz finden.

Heute hat Intel den ersten Mikroprozessor auf 22 nm Strukturgröße vorgeführt. Der Prozessor mit dem Codenamen Ivy Bridge arbeitete in einem Notebook, einem Server und einem Desktop-PC. Die Intel Core Prozessoren, basierend auf Ivy Bridge, werden die ersten Chips sein, die 3D-Tri-Gate-Transistoren verwendeen und die für die Massenproduktion zum Ende diesen Jahres vorgesehen sind.

Dieser Meilenstein in der Siliziumtechnologie wird auch dazu beitragen, höher integrierte Intel Atom Prozessoren herzustellen, deren Rechenleistung, Funktionalität und Softwarekompatibilität mit der Intel-Architektur skalierbar sind. Gleichzeitig erfüllen sie den Anspruch einer ganzen Reihe von Marktsegmenten an Energiebedarf, Kosten und Größe.