Mehr Rechenpower durch Nanotransistoren

12.06.2001
Im Wettkampf um den schnellsten Transistor kann Intel wichtigte Punkte für sich verbuchen. Ingenieure des Chipgiganten haben erstmals einen extrem kleinen Transistor hergestellt, der mehr als zwei Terahertz Arbeitsfrequenz verträgt.

Um die Rechenleistung eines Prozessors zu erhöhen, gibt es zwei Wege. Einmal, indem man mehrere CPUs zusammen schaltet (Parallel-Prozessing), die dann jeweils eine kleine Teilaufgabe des Rechenproblems lösen. Oder man erhöht die Taktfrequenz des Prozessors. In aller Welt arbeiten Forscher daran, noch schnellere Transistoren zu entwickeln, die in näherer Zukunft den Bau von Supercomputer im Schuhkastenformat ermöglichen.

Entwickler von Intel haben einen neuen sehr kleinen Typ von Transistor kreiert. Das hat zwei gravierende Vorteile: Erstens, je kleiner die physikalischen Abmessungen sind, desto mehr Transistoren lassen sich auf einem Chip unterbringen. Das senkt die Produktionskos-ten. Zweitens erlauben kleinere Transistorstrukturen höhere Arbeitsfrequenzen. Mit den neuen Transistoren will Intel bei den CPUs bis in den 100-GHz-Bereich vorstoßen.

Ein wichtiger Faktor ist hierbei die Länge der Steuerelektrode, des so genannten Gates. Die von der Intel Forschungsabteilung entwickelten neuen Transistoren weisen eine Gate-Länge von nur 15 Nanometer auf. Die Gate-Länge bestimmt in hohem Maß die Schnelligkeit des Transistors. Je kleiner die GateLänge desto höhere Frequenzen kann der Transistor verarbeiten. In mehreren Schritten haben die Forscher es nun geschafft, den Transistor soweit zu verkleinern, dass er für Frequenzen oberhalb von zwei Terahertz (THz) noch arbeitet. Zur Verdeutlichung: Ein Terahertz-Transistor kann 1.000.000.000.000 Mal pro Sekunde (1.000 Gigahertz) seinen Zustand (ein oder aus) ändern.

Während ein Transistor mit einer Gate-Länge von 20 Nanometern knapp über ein Terahertz verarbeiten kann, kommt der neue 15-Nanometer-Transistor auf eine maximale Arbeitsfrequenz von 2,63 THz.

Kernpunkt Stromverbrauch

Bis zur Markteinführung ist es aber noch ein langer Weg. Bislang produziert Intel Prozessoren mit Strukturen von minimal 0,13 Mikrometer. Um jetzt die Produktion auf noch kleinere Strukturen ausweiten zu können, müssen völlig neue Belichtungsverfahren eingesetzt werden.

Intels Marktstrategen rechnen nicht vor dem Jahr 2007 mit der Einführung des 20-Nanometer-Transistors. Die Massenproduktion des 15-Nanometertyps soll erst 2009 beginnen. Dann, so glauben die Analysten von Intel, werden aber rund eine Milliarde Transistoren auf einem Chip sitzen und mit über 100 GHz getaktet sein. Um diese hohen Taktraten auch realisieren zu können, sind eine Vielzahl begleitender Maßnahmen notwendig. Der Cheftechnologe von Intel, Pat Gelsinger, hat das auf dem Entwicklerforum im Frühjahr 2001 schon mal vorgerechnet. Würde man mit den aktuellen Technologien einen solchen Transistor bauen, würde die hochgerechnete Leistungsdichte auf dem Chip die eines Kernreaktors übertreffen und nahe an die Leistungsdichte eines Raketentriebwerks kommen. Eine Kühlung des Chips wäre mit heutiger Technologie nicht zu erreichen. Deshalb müssen die Entwickler völlig neue Wege gehen.

Als Isolationsmaterial zwischen Gate und Substrat verwenden die Forscher nun Zirkondioxid anstelle von Siliziumdioxid. Das Material hat eine fünffach höhere Die-Elek-trizitätskonstante als Siliziumdioxid. Bei gleicher Kapazität kann die Schicht fünfmal dicker sein als aus Silizium, was einen um den Faktor 10.000 verringerten Leckstrom bedeutet. Als Leckstrom wird der Strom bezeichnet, der auch dann fließt, wenn der Transis-tor ausgeschaltet ist. Das ermöglicht den Betrieb mit niedrigerer Stromversorgung. Und dadurch fällt auch die Leistungsaufnahme wesentlich geringer aus.

AMD zieht nach

Die Entwickler von AMD prä-sentierten kurz nach Intel einen ebensolchen Transistor. Auch dieser hat eine Gate-Länge von 15 Nanometer, wird aber nicht wie Intels Produkt mit 0,85 Volt betrieben, sondern begnügt sich mit nur 0,8 Volt. Dafür ist er aber noch schneller. Mit 3,33 THz hält er jetzt den Weltrekord für den schnellsten Schalter. Auch AMD plant, die ersten Prozessoren mit diesem Transistor im Jahr 2009 marktreif zu haben.

www.intel.de

www.amd.de

Computerpartner Meinung:

Auch wenn es noch wohl knapp zehn Jahre dauern wird, bis der Terahertz-Transistor die Serienreife erlangt, lässt sich schon das große Potenzial des Transistors erahnen. Der Traum eines Schuhkarton-großen Supercomputers ist mit dieser Entwicklung in greifbare Nähe gerückt. (jh)

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