Die 90 Nanometer-Technologie

Mit der Einführung der neuesten Generation von Intel® Pentium® 4 Prozessoren im Februar 2004, hat Intel eine fortschrittliche neue Produktionstechnologie in die Massenproduktion von Mikrochips eingeführt: die 90 Nanometer-Technologie. Die Einführung dieser Nano-Technologie ermöglicht es, mehr als doppelt so viele Transistoren auf einem Chip unterzubringen als es bisher der Fall war. Die Leistungsfähigkeit und Funktionsvielfalt moderner Mikroprozessoren können auf diese Weise weiter erhöht und gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt werden.

Moore’s Gesetz
Der Schlüssel zu dieser Entwicklung liegt in einer Gesetzmäßigkeit, die Gordon Moore, einer der Intel-Gründer, bereits 1965 formuliert hat. Er sagte damals voraus, dass sich die Zahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle 18 bis 24 Monate verdoppeln würde. Dieser Leitsatz, mittlerweile als „Moore’s Gesetz“ bekannt, hat bis heute Bestand. Aus den 29.000 Schaltelementen des 8086-Prozessors in IBMs erstem PC sind 125 Millionen solcher Bauteile geworden, die heute auf einem Intel® Pentium® 4 Prozessor Platz finden – 4300-mal mehr als 1982.

Um dieses Tempo zu halten, investiert Intel allein im Jahr 2004 weltweit 4,8 Milliarden US-Dollar in Forschung und Entwicklung. Das Resultat sind zukunftsweisende Produktionstechnologien wie der 90 Nanometer Prozess, die noch feinere Strukturen ermöglichen. Diese Verdoppelung der nutzbaren Oberfläche senkt die Fertigungskosten pro Chip um 30 Prozent.

Die Materialien
Eine der Grundlagen der 90 Nanometer-Technologie sind moderne Materialien. So wird beispielsweise so genanntes gestrecktes Silizium (Strained Silicon) für den Bau der Transistoren verwendet. Bei dieser Silizium-Variante wird die Gitter-Struktur des Siliziums so gestreckt, dass sich die Lücken zwischen den Silizium-Atomen vergrößern. Dadurch können die Elektronen schneller durch das Siliziumgitter gleiten. Das Resultat sind kürzere Schaltzeiten bei den Transistoren. Die Verbindungen innerhalb des Prozessors bestehen heute aus Kupferleitungen. Dieses Material bringt Geschwindigkeitsvorteile gegenüber dem früher benutzten Aluminium. Mehrere Kilometer dieser so genannten „Interconnects“ werden in sieben Schichten übereinander in jedem einzelnen Intel® Pentium® 4 Prozessor verbaut. Darüber hinaus werden in der 90 Nanometer-Technologie neuartige dielektrische Materialien verwendet, die ebenfalls dazu beitragen, die Verarbeitungsgeschwindigkeit im Prozessor zu erhöhen und gleichzeitig den Strombedarf pro Transistor zu senken.

Die Dimensionen
Wie winzig die Strukturen auf den neuen Chips in 90 Nanometer-Technologie tatsächlich sind, ist schwer vorstellbar. Die Angabe, dass ein Nanometer ein Milliardstel Meter ist, hilft nur wenig. Zum Vergleich: ein menschliches Haar ist 100 000 bis 200 000 Nanometer dick. Ein einziger der 125 Millionen Transistoren auf einem Intel Pentium 4 Prozessor bringt es dagegen bei der Gatelänge (ein wichtiges Maß) gerade mal auf 50 Nanometer. Damit ist er dort nur etwa halb so groß, wie ein Grippevirus, der kleinste aller Mikroorganismen. Einige Bauteile sind allerdings noch wesentlich kleiner. Das so genannte Gate-Oxid, das als Isolator eingesetzt wird, hat nur eine Dicke von rund 5 Atomlagen, was knapp einem Nanometer entspricht.

Als positiven Nebeneffekt sorgt die Verkleinerung für eine Reduzierung der Kosten pro Transistor. Während einer dieser elektronischen Schalter 1968 noch einen Dollar kostete, ist der Preis pro Stück auf einem Intel® Pentium® 4 Prozessor in 90 Nanometer-Technologie auf weniger als 0,00000001 Dollar gesunken.

Die Leistung
Im Vergleich zu seinem Vorgänger wurde die Grundfläche des Intel® Pentium® 4 Prozessors in 90 Nanometer-Technologie von 131 Quadratmillimeter auf 112 Quadratmillimeter verringert. In Kombination mit dem Einsatz moderner Materialien sorgt diese Verkleinerung für kürzere Wege und damit schnellere Schaltzeiten der Transistoren bei vermindertem Energiebedarf. Gleichzeitig ist es Intels Forschern gelungen, die Größe einzelner Speicherzellen, der so genannten SRAMs, drastisch zu reduzieren. So benötigt eine solche, aus sechs Transistoren bestehende, Zelle in 90 Nanometer-Technologie nur noch einen Quadrat-Mikrometer Platz. Das Resultat: auf einem Intel Pentium 4 Prozessor in 90 Nanometer-Technologie kann trotz verringerter Grundfläche doppelt soviel, nämlich 1 MByte Level 2-Cache-Speicher, untergebracht werden, wie bei seinem Vorgänger. Dieser extrem schnelle Zwischenspeicher sorgt vor allem bei leistungshungrigen Anwendungen, wie 3D-Spielen, für einen ordentlichen Leistungsschub.

Kosten und Umwelt
Die 90 Nanometer-Technologie in der Prozessor-Produktion wird bei Intel ausschließlich auf Wafern mit einem Durchmesser von 300 Millimetern benutzt. Ein Wafer ist die kreisrunde Silizium-Grundpatte, auf der die Prozessoren aufgebaut werden. Indem Intel den Durchmesser der Wafer von den bisher üblichen 200 auf 300 Millimeter erhöhte, wurde die Grundfläche mehr als verdoppelt. Je nach Größe des jeweils produzierten Chips kann die Ausbeute auf diese Weise um den Faktor 1,6 bis 2,2 erhöht werden. Dies schlägt sich in Einsparungen von rund 30 Prozent bei den Produktionskosten nieder.

Für die Umwelt bringt der Umstieg auf 300 Millimeter Wafer den Vorteil, dass im Vergleich zur Produktion auf 200 Millimeter Wafern weniger Fabriken gebaut werden müssen, um dieselbe Menge an Chips zu produzieren. Zudem ist der Bedarf an Werkzeugen, Strom und Wasser pro Prozessor bei der Produktion auf 300 Millimeter Wafern um 30 bis 40 Prozent geringer. Und auch dies wirkt sich positiv auf die Umweltbilanz aus.

Tabelle S. 4: : Die Entwicklung des Gesetzes von Moore seit der Einführung des ersten Mikroprozessors im Jahr 1971

Die Entwicklung des Gesetzes von Moore seit der Einführung des ersten Mikroprozessors im Jahr 1971

Bezeichnung  Einführungsjahr  Transistoren pro Chip Transistoren  4004   1971   2.250  8008   1972   2.500  8080  1974  5.000  8086  1978  29.000  286  1982  120.000   386™ Prozessor   1985   275.000  486™ DX Prozessor  1989  1.180.000   Pentium® Prozessor  1993  3.100.000  Pentium® II Prozessor  1997  7.500.000  Pentium® III Prozessor  1999  24.000.000  Pentium® 4 Prozessor   2000  42.000.000  Pentium® 4 E Prozessor 3.4 GHz  Januar 2004  125.000.000

  
Intel ist der größte Halbleiterhersteller der Welt und zählt zu den international führenden Unternehmen mit Produkten für Informationstechnologie, Netzwerke und Kommunikation.

Stand: März 2004