In den Labors von Intel haben die Forscher einen neuen Transistortypen entwickelt, den das Unternehmen ab 2005 einsetzen will für die Herstellung von Mikroprozessoren und anderer logischer Produkte wie Chipsätze. Getrieben vom Moore’schen Gesetz, nach dem sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle 18 Monate verdoppelt und damit auch seine Geschwindigkeit, steht die Industrie vor einer gewaltigen Herausforderung: die immer schneller werdenden Mikroprozessoren verbrauchen immer mehr Strom. Mit dem von Intel entwickelten „TeraHertz“-Transistoren ist dieses Problem gelöst; vorerst nur in den Labors, aber das Unternehmen erwartet die Massenproduktion für die zweite Hälfte dieses Jahrzehnts. Dann werden Prozessoren von Intel Geschwindigkeiten von über eintausend Gigahertz erreichen.
In den vergangenen Jahren hat Intel bereits demonstriert, auf welche Dimensionen Transistoren verkleinert werden können: 30 Nanometer (nm) im Dezember 2000, 20nm im Juni 2001 und bis zu 15nm im November 2001. Das Verkleinern eines Transistor um 30 Prozent reduziert seine Fläche um 50 Prozent. Dies führt zu wirtschaftlichen und technologischen Vorteilen: die Produktionskosten je Chip sinken, da pro Wafer mehr Prozessoren produziert werden können; zudem ist eine weitere Leistungssteigerung des Mikroprozessors möglich durch höhere Taktfrequenzen. Je kleiner ein Transistor ist, der mechanisch die Funktion eines Schalters hat, desto schneller kann er schalten und damit Strom fließen lassen oder nicht. Die neu entwickelten TeraHertz-Transistoren wechseln zwischen dem „Ein“- und dem „Aus“-Status mehr als 1.000.000.000.000 Mal pro Sekunde - dies entspricht einer Frequenz von 1.000 Gigahertz.
Der TeraHertz Transistor ist ein bedeutender Schritt für die zukünftige Leistungsfähigkeit von Mikroprozessoren. Durch die zunehmende Miniaturisierung der Transistoren können immer mehr davon auf einem Mikroprozessor untergebracht werden, was wiederum immer höhere Geschwindigkeiten zulässt. Mit zunehmender Geschwindigkeit, die heute bei rund zwei GHz (2000 MHz) liegt, steigt aber der Strombedarf der Chips. Sie werden zu heiß und reduzieren zum Beispiel die Batterie-Lebensdauer von Notebooks erheblich. Die Lösung dieses Problems ist aber entscheidend für zukünftige Anwendungen wie Spracherkennung, Übersetzung in Echtzeit oder die Berechnung von Grafiken in Videoqualität. Diese Anwendungsarten benötigen Mikroprozessoren mit weit mehr Transistoren als heute vorhanden sind und mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten als derzeit üblich.
Ein neuer Transistortyp
Wie in der linken Hälfte der Zeichnung zu sehen ist, bestehen heute verwendete Transistor aus drei Bereichen: Gate, Source und Drain. Der Transistor ist ein Ein- und Ausschalter: Die Elektrizität fließt von der Quelle (Source) zum Abfluss (Drain) wenn das Gate leitet; sie fließt nicht, wenn das Gate isoliert, also keinen Stromfluss zulässt. Der jeweilige Status des Gates wird durch die angelegte Spannung bestimmt. Der Transistor wird auf einer Silizium-Scheibe (Wafer) aufgebaut. Source und Drain bestehen aus Abwandlungen des Basis-Siliziums, das Gate aus einem Material, das als Polysilizium bezeichnet wird. Unter dem Gate befindet sich eine dünne Schicht, das Gate Dielektrikum, welches die Isolations-Wirkung verstärkt. Sie besteht heutzutage aus Silizium-Dioxid. Alle derzeitigen CMOS Schaltkreise bestehen aus solchen Transistoren, die miteinander über Interconnects (Drähte) verbunden sind. Der Pentium® 4 Prozessor verfügt über 42 Millionen solcher Transistoren auf einem Stück Silizium, das so groß ist wie ein Fingernagel.
Wie bereits zuvor erwähnt ist es wegen des steigenden Strombedarfs nicht möglich, diese Transistoren einfach kleiner und schneller zu machen; Intels neue TeraHertz Transistoren ermöglichen diese Skalierung jedoch. Mit dieser Technologie wird erreicht, dass die Mikroprozessoren mit TeraHerz-Geschwindigkeiten nicht mehr Strom als heute benötigen, obwohl sie aus wesentlich mehr Transistoren bestehen werden. Der neue Transistor verfügt über drei neue Merkmale, wie in der rechten Zeichnung zu sehen ist: ein neues Gate Dielektrikum, eine neue Oxidschicht auf dem Silizium, sowie verstärkte Source und Drain. Diese drei Merkmale lösen das Stromproblem wie folgt:
| Quelle des Stromproblems | Warum ist es ein Problem? | Lösung (siehe obenstehende Zeichnung) | Warum das Problem gelöst wird | | 1. Unerwünschter Stromfluss über das Gate Dielektrikum | Wenn das Gate Dielektrikum immer dünner werden, kommt es zu Stromverlusten, auch wenn das Dielektrikum ein Isolator ist | Das isolierende Silizium-Dioxid wird durch ein neues Material mit einem “hohen k“ Wert ersetzt (Maß der Isolierfähigkeit) | Das neue Material hat die gleichen gewünschten elektrischen Eigenschaften, aber es ist physikalisch dicker und reduziert den Stromverlust um den Faktor 10.000 | | 2. Unerwünschter Stromfluss von Source zu Drain, wenn der Transistor "aus" ist | Da die Transistoren kleiner werden, fließt Strom zwischen Source und Drain, auch wenn er es nicht soll
| Eine Isolatorschicht (Oxid) wird unter dem Transistor aufgebracht | Die Oxidschicht blockiert den Weg dieses unerwünschten Stromflusses und reduziert ihn um den Faktor 100 | 3. Hohe Spannung wird benötigt, dadurch steigt der Stromverbrauch
| Die Oxidschicht zur Lösung des 2. Problems erhöht den Widerstand in Source und Drain
| Source und Drain werden dicker
| Dickere Source und Drain reduzieren den Widerstand um 30%, sie geben den Elektronen eine größere Beweglichkeit, so dass weniger Strom benötigt wird |
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Zusätzlich zur Lösung dieser drei Probleme verfügt der TeraHertz Transistor über drei weitere nützliche Merkmale:
| Merkmal | Warum ist dies ein Problem? | Lösung mit dem TeraHertz Transistor | Vorteil | Verbindungen mit niedrigem Widerstand
| Elektrischer Effekt in der Peripherie von Source oder Drain, der die Elektronen verlangsamt
| Source und Drain liegen direkt an | der Oxidschicht an Der Transistor kann schneller arbeiten | | Immunität gegenüber Alpha-Partikeln | Radioaktive Partikel aus der Atmosphäre oder dem Gehäuse können in den Transistor vordringen und sein Verhalten beeinflussen | Der Bereich oberhalb der Oxidschicht ist sehr dünn und bietet so keinen Platz für Alpha-Partikel
| Gesteigerte Zuverlässigkeit | Kein “Floating Body” Effekt
| Ladung kann zwischen dem Gate Dielektrikum und der Oxidschicht gefangen werden, wodurch das Verhalten des Transistors beeinflusst wird | Der Bereich oberhalb der Oxidschicht ist sehr dünn und kann keine Ladung während des Transistorbetriebs aufnehmen
| Vereinfachter Schaltkreisentwurf
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Eine aufregende neue Technologie
Durch die Lösung der Stromfrage ebnet das Unternehmen den Weg für das Fortbestehen des Moore’schen Gesetzes bis zum Ende des Jahrzehnts, und dies wird Applikationen für Endanwender ermöglichen, die weit über unsere heutige Vorstellung hinausgehen.
Wie in jeder neuen Technologie gibt es zahlreiche technische Herausforderungen, die gelöst werden müssen, bevor die Produktion in Stückzahlen beginnen kann. Intel glaubt, dass die TeraHertz Transistor Architektur die eindeutige Wahl für die zweite Hälfte des Jahrzehnts sein wird.
Weitere Details über Intels TeraHertz Transistor Architektur und weitere Entwicklungen der Intel Forschung finden Sie unter www.intel.com/research/silicon.
Intel ist der größte Halbleiterhersteller der Welt und zählt zu den international führenden Unternehmen mit Produkten für Informationstechnologie, Netzwerke und Kommunikation.
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