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Eine Woche Akku-Laufzeit? Neue Stapeltechnik könnte für Chip-Revolution sorgen

Das Stapeln von Transistoren verkürzt Verbindungen und spart Energie. Gleichzeitig ermöglicht es mehr Leistung auf kleinerer Fläche. Die Idee ist so simpel, dass die Frage aufkommt: Wieso erst jetzt?

3 Min. Lesezeit
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Im Chip-Design wird endlich außerhalb etablierter Boxen gedacht. (Bild: Quardia/ Shutterstock)

IBM und Samsung haben auf der bis zum 15. Dezember 2021 laufenden IEDM-Konferenz (International Electron Devices Meeting) des Normierungsgremiums IEEE in San Francisco eine neue Technik zur vertikalen Stapelung von Transistoren vorgestellt. Die soll entweder die mögliche Leistung oder die Effizienz steigern. Auf der gleichen Konferenz hat Intel eine Möglichkeit vorgestellt, Transistoren in einer 3D-Ausrichtung zu stapeln, um mehr Platz auf einer definierten Fläche zu schaffen.

Neue Stapeltechnik bringt mehr Leistung oder weniger Stromverbrauch

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Wenn sich IBM, Samsung und Intel einig sind, dann dürfen wir wohl davon ausgehen, dass sie eine Entdeckung von erheblicher Bedeutung gemacht haben. So versprechen die größten Chiphersteller der Welt erhebliche Leistungs- und Effizienzsteigerungen innerhalb des nächsten Jahrzehnts.

Um die auf den ersten Blick unscheinbar wirkende Innovation richtig beurteilen zu können, müssen wir zunächst schauen, wie Transistoren heutzutage funktionieren. Die heutigen Chips liegen flach auf der Siliziumoberfläche, der Strom aus den Metallschichten fließt horizontal zur Quelle. Bei der von Samsung, IBM und Intel beschriebenen Technik würden die Transistoren stattdessen übereinander liegen, der Strom würde vertikal fließen.

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Durch das Stapeln von NMOS- und PMOS-Transistoren übereinander statt nebeneinander wäre die Anzahl der Transistoren auf einer definierten Fläche um 30 bis 50 Prozent zu erhöhen, sagt Intel. Mehr Transistoren bedeuten mehr Leistung – erlauben also das Ausführen komplexerer Anweisungen.

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„Indem wir die Bausteine direkt übereinanderstapeln, sparen wir eindeutig Fläche“, gab Intel-Manager Paul Fischer in einem Interview mit Reuters zu Protokoll. „Wir reduzieren die Länge der Verbindungen und sparen wirklich Energie, was das Ganze nicht nur kosteneffizienter, sondern auch leistungsfähiger macht.“

Smartphones der Zukunft kommen eine Woche mit einer Akkuladung aus

Samsung und IBM hingegen bezeichnen ihre Technologie als VTFET (Vertical Transport Field Effect Transistors) und behaupten, dass sie im Vergleich zu FinFET-Designs eine Verdopplung der Leistung oder eine Verbesserung der Energieeffizienz um 85 Prozent bieten kann. Die Unternehmen gehen demnach davon aus, dass sie durch das Stapeln Leistungsbeschränkungen überwinden oder Prozesse mit weniger Energieverschwendung abschließen können.

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Damit könnte die Idee von IBM und Samsung eines Tages zu Smartphones führen, die eine Woche mit einer Ladung auskommen. Das berichtet Engadget. Bei besonders energieaufwendigen Aufgaben wie dem Krypto-Mining könnte sich durch die erheblichen Effizienzsteigerungen ein massiv verringerter CO2-Fußabdruck ergeben.

Marktreife in weiter Ferne

Die schlechte Nachricht ist, dass sich die Technologie noch in einem frühen Anfangsstadium befindet. Bislang sind noch viele essenzielle Fragen ungeklärt – insbesondere das für diese Technologie kritische Wärmemanagement. So wundert es nicht, dass die Unternehmen keinen Zeitplan aufweisen können, wann die ersten Chips mit vertikal gestapelten Transistoren auf den Markt kommen werden.

Die aktuelle Technologie namens FinFET, eine 3D-Struktur, die eine bessere Leistungseffizienz ermöglicht, nutzt Intel seit dem Jahr 2011 und löste damit die flachen MOSFET-Planar-Designs ab. Anfang dieses Jahres kündigte das Unternehmen an, dass es im Jahr 2024 mit seinen Intel-20A-Chips auf ein neues Transistor-Design namens RibbonFET umsteigen wird. Diese neue Struktur verwendet bandförmige Kanäle, die erneut mehr Leistung bei geringerem Platzbedarf erzielen. Die vertikale Stapelung wäre ein möglicher nächster Schritt, der eine neue Ära der Hochleistungscomputer oder der energiesparenden Computertechnik einleiten könnte.

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Mooresches Gesetz als Innovationshemmnis

Bleibt die Frage, warum erst jetzt. Die Antwort dürfte in einem Beharren auf alten Denkweisen zu finden sein. Insbesondere Intel hatte sich in den vergangenen Jahrzehnten stets auf das Mooresche Gesetz aus dem Jahre 1965 berufen. Das beruht auf einer Beobachtung des Intel-Mitgründers Gordon Moore, was es wahrscheinlich so schwer macht, es infrage zu stellen. Moore jedenfalls hatte postuliert, dass sich die Zahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Jahrzehntelang hat die Halbleiterindustrie nach dieser Prämisse gearbeitet und versucht, die Chipgröße alle zwei Jahre zu verringern. Die damit verbundene Komplexität hat Unternehmen wie Intel den Blick auf fortschrittlichere Mikroarchitekturen verstellt. Erst jetzt, wo es immer schwieriger wird, Chips noch weiter zu verkleinern, suchen Chiphersteller nach neuen Methoden der Leistungsverbesserung.

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