Moore's Zukunftsformel

Wo liegen die technischen Grenzen der Mikroelektronik?

Von Dr. Sönke Mehrgardt

Die Halbleiterbranche entwickelt sich so schnell, dass Vorhersagen über ihre Zukunft extrem schwierig sind. Einzig Moore's Gesetz, das besagt, dass sich alle zwei Jahre die Leistung der Chips verdoppelt und die Miniaturisierung Fortschritte macht, hat sich immer wieder als richtig erwiesen. Doch wird es auch in Zukunft gelten? Wie lassen sich Schaltungen noch weiter verkleinern, wenn die Bauelemente nur noch ein Atom groß sind?

Die Vorhersage der Zukunft scheint Menschen ein sehr wichtiges Grundbedürfnis zu sein. Waren es früher die Orakel oder die Hellseher, so sind heute vielleicht am ehesten die zahlreichen Analysten der Aktienmärkte die würdigen Nachfolger - auch wenn ihre Trefferquote oft zu wünschen übrig lässt.
Sind nun Vorhersagen im Allgemeinen schon schwierig genug, so scheint es in der schnelllebigen Halbleiter-Branche geradezu ausgeschlossen, auch nur halbwegs treffende Prognosen für die Zukunft abzugeben. Gerade deshalb ist es besonders bemerkenswert, dass sich nun schon seit knapp 40 Jahren eine Zukunftsformel sehr präzise bewährt: das Moore'sche Gesetz. Bereits im Jahr 1965 hat Gordon Moore zwei mutige und damals ganz unglaublich klingende Paradigmen für die Halbleiterindustrie formuliert, die wegen ihrer Konsequenzen zunächst auf starke Ablehnung stießen.

Erstaunlich zutreffende Vorhersagen.

Die erste Behauptung war, dass sich die Transistordichte in einer Schaltung in regelmäßigen Abständen verdoppelt. Dafür hatte er ursprünglich 18 Monate angenommen, diesen Zeitraum dann aber später auf etwa zwei Jahre korrigiert. Damit beschrieb Moore das Gesetz der fortlaufenden Miniaturisierung der Bauteile in der Mikroelektronik.
Seine zweite Behauptung war, dass sich auch die Rechenleistung der Schaltungen, im gleichen Zeitraum verdoppelt. Und tatsächlich haben seit 1965 mehr als 20 solche Verdoppelungen der Leistungsfähigkeit stattgefunden, und die Rechenleistung hat in diesem Zeitraum um den Faktor eine Million zugenommen! Gordon Moore's oft angezweifelte Behauptungen haben sich damit bereits über einen erheblichen Zeitraum als richtig und erstaunlich wegweisend herausgestellt.
Heute gehen selbst konservative Annahmen von weiteren Leistungssteigerungen um mindestens den Faktor 100 in den nächsten Jahren aus. Etwas mutigere Vorhersagen sprechen sogar vom Faktor eine Million!
Übrigens hat das exponentielle Wachstum der Rechenleistung schon vor dem Elektronikzeitalter gegolten. Das fand der amerikanische Computerwissenschaftler Ray Kurzweil heraus, als er die Leistungsfähigkeit mechanischer Rechenmaschinen untersuchte. Dazu verglich er 49 bedeutende, im 20. Jahrhundert entwickelte Rechenmaschinen miteinander. Diese Maschinen reichten von den ersten Hollerith-Lochkartenmaschinen für amerikanische Volkszählungen über die mit Relaistechnik arbeitenden Anlagen und die ersten Röhrenrechner bis zu Transistor- und Mikrochip-gesteuerten Computern. Dabei kam er zu dem Ergebnis, dass sich am Beginn des 20. Jahrhunderts die Leistung erst alle drei Jahre, später sogar schon alle zwölf Monate verdoppelte.

Gilt Moore's Gesetz weiterhin?

Moore's Gesetz gilt also schon viele Jahrzehnte und war das gesamte 20. Jahrhundert in Kraft. Darüber hinaus ist sicher, dass es auch noch zahlreiche weitere Jahre gültig bleibt. Was können wir nun für die fernere Zukunft daraus folgern?
Für die heutige Halbleitertechnik stellt das Jahr 2085 eine natürliche, harte Grenze für Moore's Gesetz dar. Zu diesem Zeitpunkt würde nämlich, wie man einfach kalkulieren kann, ein Bauelement nur noch aus einem halben Atom bestehen, eine Vorstellung, die selbst den mutigsten Zukunftsspekulanten wohl ein wenig weit gehen wird. Wo liegen aber die wirklichen Grenzen?
Praktisch seit dem Beginn dieser rasanten Innovationsdynamik der Halbleiterindustrie wurde ständig über die Grenzen der Mikroelektronik diskutiert, ja sogar das bevorstehende Ende der möglichen Verkleinerung von Chips (und damit das Ende von Moore's Gesetz) vorhergesagt. Unüberwindbare Barrieren wurden überall heraufbeschworen: bei den Materialien, der Prozesstechnologie, der Design-Komplexität, der Wirtschaftlichkeit und nicht zuletzt bei den physikalischen Grenzen selbst. Und trotzdem haben Wissenschaftler, Entwickler und Designer immer wieder Wege gefunden, diese Hürden mit Erfindungsreichtum zu überwinden.
Eine magische Schwelle erreichte die Industrie Mitte der 1980er Jahre, als Bauteile kleiner als ein Mikrometer wurden, also kleiner als ein Tausendstel eines Millimeters. Dies entspricht ungefähr der Wellenlänge des Lichts und definiert auch die Grenze der optischen Auflösung, die ein sehr gutes Lichtmikroskop erreichen kann. Die optische Abbildung ist aber sowohl bei der Herstellung wie bei der Überprüfung der Bauteile ein unabdingbares Werkzeug. Unterhalb von einem Mikrometer können deshalb die Entwicklungsingenieure die Ergebnisse ihrer Arbeit nicht mehr unmittelbar in Augenschein nehmen, sondern benötigen hoch entwickelte Instrumente, zum Beispiel ein Elektronenmikroskop, um die fortlaufende Steigerung von Funktionen, Komplexität und Strukturverkleinerung zu überprüfen.
Der einfache (aber schwer zu realisierende) Trick war damals der Schritt vom sichtbaren zum ultravioletten Licht. Dieses Licht mit viel kürzeren Wellenlängen erlaubt eine verbesserte optische Auflösung und damit viel kleinere Strukturen. Heute verwendet man Licht der Wellenlänge 193 Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel eines Millimeters), geplant sind 153 Nanometer. Das ist nur noch ein Fünftel der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes! Bei diesen extremen Wellenlängen ist allerdings Glas bei weitem nicht mehr durchsichtig und muss durch ganz neue Materialien ersetzt werden, und auch die Erzeugung von solchem Licht ist eine wahre Kunst für sich.

Kleiner und kleiner.

Unter Nutzung dieser Technik konnte die Integrationsdichte auf Mikrochips heute bis in den Bereich von 130 Nanometern vorangetrieben werden, und im nächsten Schritt zielt man eine weitere Verkleinerung auf sogar 100 Nanometer an. Das bedeutet, dass auf der gleichen Fläche 100-mal mehr Bauteile realisiert werden können als im Vergleich zur Ein-Mikrometer-Technologie Ende der 80er Jahre.
Doch die 100 Nanometer sind für die Halbleiterindustrie derzeit eine "Schallmauer", diese Grenze zu überwinden ist eine gewaltige Herausforderung. Denn dann kommen erstmals tatsächlich einzelne Atome ins Blickfeld unserer Entwicklungsingenieure, die das Funktionsprinzip des Transistors auf die Ebene von wenigen Atomen und Elektronen übertragen. Aber schon heute sind die meisten Wissenschaftler überzeugt, dass es keine fundamentalen Grenzen für Integrationsdichten kleiner als 100 Nanometer gibt. Manche gehen sogar so weit, dass unter Einsatz neuer Materialien die klassische CMOS-Technologie Strukturbreiten von 25 Nanometer und weniger erlaubt. Die Industrie hat bereits Entwicklungspläne für eine Chip-Verkleinerung auf Strukturbreiten von 35 Nanometer bis zum Jahre 2014. Der Erfindungsreichtum der Halbleiterindustrie scheint also ungebrochen.
In unseren neuesten Forschungen experimentieren wir bereits erfolgreich mit Chipstrukturen von nur noch 30 Nanometer. Wir haben im Labor erste funktionierende Transistoren unter Verwendung dieser extrem kleinen Strukturen hergestellt. Und sogar bis zehn Nanometer (ein Hunderttausendstel Millimeter!) scheint noch keine unüberwindliche physikalische Grenze zu bestehen. Für die Halbleiterindustrie ein Segen: Strukturbreiten von zehn Nanometer bedeuten schon wieder einen Faktor 100 mehr Bausteine auf der gleichen Chipfläche. Das sind ca. sieben weitere Verdoppelungen oder - nach dem Moore'schen Gesetz - mehr als 14 Jahre weiterer Fortschritt.

Das Erbgut ist noch viel komplexer.

Bei all dem dürfen wir aber nicht vergessen, dass wir an die Leistungen der Natur noch lange nicht herankommen. Das gesamte menschliche Erbgut mit seiner ungeheuren Informationsdichte hat in einem Zellkern mit einem Volumen von etwa einem Kubikmikrometer Platz. Somit ist die DNS der am höchsten integrierte "Chip", den wir kennen, dessen Komplexität viele Milliarden Mal größer ist als die heutiger Hochleistungsspeicher. Wenn wir diese Leistungsfähigkeit der Natur auch nur annähernd erreichen wollen, müsste das Moore'sche Gesetz noch für mindestens weitere 50 Jahre seine Gültigkeit behalten. Es bleibt noch viel zu tun!

Dr. Sönke Mehrgardt ist Chief Technological Officer und Mitglied des Vorstandes der Infineon Technologies AG.

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