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Vor 60 Jahren haben Forscher der Bell Labs den Transistor erfunden. Ohne den Transistor würden fast alle elektronischen Geräte, die wir heute kennen, nicht existieren. Daher darf man mit Recht behaupten, dass keine Erfindung der letzten Jahrzehnte für den schnellen Durchbruch von Innovation und Technologie so wichtig war wie diese. Transistoren sind die wichtigsten Komponenten innerhalb der Mikroprozessoren, die wiederum unverzichtbar für viele Produkte unseres täglichen Lebens sind. Dazu gehören z.B. TV-Geräte, Radios, Autos, medizinische Geräte, Haushaltsgeräte, Computer und sogar Raumschiffe.
Während das erste Transistor-Radio aus vier Transistoren bestand, umfasste der erste Intel Chip, der das “Gehirn” des PCs bildet, 2300 Transistoren. Das ist kein Vergleich zur neuesten Chip-Generation von Intel, die im 45 Nanometer (nm)-Prozess gefertigt wird und im November 2007 veröffentlicht wurde. Der neueste Prozessor enthält 820 Millionen Transistoren.
Der Transistor - das „winzige Triebwerk“ - ist eine Art miniaturisierter Ein-Aus-Schalter, der im Computer die Verarbeitung von Informationen erlaubt und damit uns alle in das digitale Zeitalter bringt. Was ist das Geheimnis seines Erfolgs? Der Transistor wird mit jeder neuen Generation kleiner, schneller und energieeffizienter. Intel Ingenieure haben kürzlich im Fertigungsprozess neue Materialien eingeführt, die innovative Chips auf Basis der Intel® Core™-Mikroarchitektur ermöglichen und die revolutionären 45 nm-Schaltkreise sowie High k-Metal Gate Transistoren nutzen. Diese sind so klein, dass 300 dieser Transistoren auf eine menschliche Blutzelle passen. Sie liefern bahnbrechende Geschwindigkeit und Energieeffizienz.
Wie geht es weiter? Intel wird auch künftig bis an die Grenze der technologischen Innovation gehen, um Produkte einzuführen, die die Art und Weise, in der wir leben, arbeiten, spielen oder miteinander kommunizieren in einer Form verändern, die wir uns heute nur vorstellen können.
Ein oder Aus
Die Erfindung des Transistors in den letzten zwei Monaten des Jahres 1947 dürfte wohl die wichtigste Innovation des 20. Jahrhunderts sein. Der Einfluss des Transistors auf das Alltagsleben im 20. und 21. Jahrhundert jedenfalls kann nicht überschätzt werden. Die “Wanze”, wie ihn Elektronikfreaks liebevoll nennen, wurde zunächst für die Verstärkung von Tonsignalen eingesetzt. Daher waren die ersten tragbaren, drahtlosen Geräte in den 1950er-Jahren unter dem Namen Transistorradios bekannt. Aber auf lange Sicht war die wichtigste Anwendung des Transistors der Einsatz als Schalter in einem integrierten Schaltkreis, besser bekannt als Chip.
Da kein Chip ohne Transistor funktioniert und kein Computer ohne Chip arbeiten kann, spielt der Transistor eine wesentliche Rolle für den technologischen Fortschritt in den vergangenen 60 Jahren.
Das ist deswegen interessant, da der Transistor im Prinzip nichts anderes macht als ein gewöhnlicher Lichtschalter: Er schaltet „Ein“ oder „Aus“. Je nach Schaltzustand gibt ein Transistor die Information „0“ (Aus, kein Strom) oder „1“ (Ein, Strom) weiter und liefert damit die Nullen und Einsen, die der Computer für Berechnungen, Textverarbeitung, das Abspielen von DVDs oder die Darstellung von Bildern nutzt.
Die Erfindung des Transistors ist das Werk von drei Kollegen an den Bell Labs: John Bardeen, Walter Brattain and William Shockley erhielten dafür im Jahr 1956 den Nobelpreis für Physik. Der Name „Transistor“ geht zurück auf John R. Pierce, einen Forscher der berühmten Bell Telephone Laboratories. Im Mai 1948 gewann er die Wahl für den eingängigsten Namen für eine Erfindung, die damals nur sechs oder sieben Monate alt war. Das Wort setzt sich aus den Teilen „Transconductance“ (Übertragene Ladung) und „Variable Resistor“ oder „Varistor“ (veränderlicher Widerstand) zusammen.
Die Geburtsstunde des Rock’n Roll
John Bardeen und Walter Brattain gelang es im Dezember 1947, den ersten Spitzentransistor mit einer Punktberührung zu bauen, in dem der Strom über die Oberfläche des Halbleiters floss. Der Transistor verstärkte das elektrische Signal, das ihn durchströmte. In der ersten Zeit lag die Hauptanwendung des Transistors darin, ein elektrisches Signal effizienter zu verstärken als die damals eingesetzten, größeren und sperrigen Vakuumröhren.
Um die Entwicklung des Transistors möglichst stark zu beschleunigen, entschlossen sich die Bell Labs, die Transistor-Technologie unter Lizenz anzubieten. 26 Unternehmen, darunter IBM und General Electric, erwarben eine Lizenz zum Preis von 25.000 US-Dollar. Damit die Transistor-Technologie aber ein Verkaufserfolg werden konnte, benötigte sie die Aufmerksamkeit des Massenpublikums. Dank des Transistor-Radios war dies der Fall, dessen erstes Modell im Oktober 1954 auf den Markt kam. Mit dem jetzt tragbaren Radio waren Musik und Informationen überall verfügbar, sogar außerhalb der Hörweite von kritischen Erwachsenen. Das mobile Radio ermöglichte auch die Geburtsstunde einer musikalischen Revolution - Rock’n Roll.
Der integrierte Schaltkreis
In den späten 50er-Jahren war der Transistor bereits Bauteil von Radios, Telefonen und Computern. Doch obwohl diese Geräte um einiges kleiner als die Vakuumröhren waren, waren sie noch nicht klein genug für eine neue Generation von elektronischen Geräten. Eine zweite Erfindung war notwendig, um die enorme binäre Rechenleistung von einzelnen Transistoren zu bedienen und diese gleichzeitig für die kostengünstigere Massenproduktion tauglich zu machen.
Der Durchbruch kam im Jahr 1958, als Jack Kilby (Texas Instruments) und Robert Noyce (Fairchild Semiconductor, der später einer der Gründer von Intel war) herausfanden, wie sich eine große Anzahl von Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis (Chip) unterbringen lässt. Das war ein sehr großer Schritt vorwärts im Vergleich zur Situation, in der die einzelnen Komponenten per Hand eingebaut werden mussten.
Chips hatten zwei Vorteile: Geringere Kosten und höhere Leistung. Beide sind das Ergebnis einer exponentiellen Miniaturisierung, die auch im Fertigungsprozess eine enorme Dynamik auslöste. Gordon Moore, der im Jahr 1968 gemeinsam mit Noyce den Chipgiganten Intel gründete, sagte in einem 1965 veröffentlichten Magazin-Artikel eine Gesetzmäßigkeit voraus, die als das „Mooresche Gesetz“ bekannt wurde. Dieses besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre verdoppelt. Damit verbunden ist der Anstieg der Rechenleistung. Zahlreiche kleine Komponenten, die eng auf eine kleine Fläche gepackt wurden, erwiesen sich letztendlich als entscheidender Faktor für den Durchbruch des Chips.
Chip-Hersteller konnten dieses exponentielle Wachstum mehr als 40 Jahre aufrechterhalten. Der erste Computer-Chip von Intel, der 1971 produzierte 4004, enthielt 2300 Transistoren. Der i486 aus dem Jahr 1989 umfasste 1.200.000 Transistoren, der Pentium erreichte im Jahr 2000 die Zahl von 42 Millionen. Der neue 45nm-Chip von Intel vom November 2007 besteht aus 820 Millionen Transistoren.
Der Flirt mit Atomen
Das Ende des Mooreschen Gesetzes wurde bereits vielfach vorhergesagt. Per Definition ist kein Exponential ewig - obwohl die Chip-Hersteller immer wieder einen Weg zu finden scheinen, dieses „ewig“ zu verlängern. Im September letzten Jahres sagte Gordon Moore voraus, dass sein Gesetz noch mindestens zehn bis 15 Jahre gelten könnte - bis zu einem Zeitpunkt, an dem neue, grundlegende Hindernisse auftauchen, die sein Gesetz zum Stillstand bringen. Aber einige Zeit sah es so aus, als würde es das berühmteste Gesetz in der Computerwelt nicht mehr bis ins 21. Jahrhundert schaffen.
Um das vom Mooreschen Gesetz vorgegebene exponentielle Wachstum aufrecht zu erhalten, müssen die Transistoren etwa alle 24 Monate um die Hälfte kleiner werden. Diese Miniaturisierungs-Schlacht brachte einen kritischen Teil des Transistors an seine Grenzen: Das Stück Siliziumdioxid (SiO2), das als Isolationsschicht zwischen dem Gate und dem Channel (Strom führender Kanal) fungiert, wenn der Transistor eingeschaltet ist. Mit jeder neuen Chip-Generation wurde diese Isolationsschicht zunehmend dünner - bis vor zwei Generationen betrug die Dicke nur noch 1,2 nm oder fünf Atome. Die Ingenieure bei Intel waren angesichts dieser dünnen Schicht ganz einfach nicht mehr in der Lage, auch nur ein einziges weiteres Atom abzuschöpfen.
Wegen der geringen Stärke der Isolierschicht fließen die Ströme teilweise auch durch das Gate-Dielektrikum, sie lecken also; daher wird der Effekt auch Leckstrom genannt. Höhere Leckströme produzieren mehr Wärme - ein unerwünschter Effekt. Das Ergebnis: Die Chips brauchten immer mehr Strom und erzeugten unplanmäßige Wärme beim Verarbeiten der Befehle.
Die endgültige Grenze
Der undichte Transistor stellte die größte Herausforderung für die Halbleiter-Industrie dar: Ohne einen wichtigen Durchbruch würden sie an die lang erwartete, endgültige Grenze stoßen. Das würde nicht nur das Ende des Mooreschen Gesetzes bedeuten, sondern wohl auch die digitale Revolution der vergangenen Jahrzehnte zu einem abrupten Stillstand bringen. Computerchips, deren Leistung sich alle 24 Monate verdoppelt, würden der Vergangenheit angehören.
Die Lösung für die Krise war eine dickere Isolationsschicht. Dies erwies sich nur als möglich, indem man die Schicht aus einem anderen Material herstellt, das zusätzliche Atome enthielt. Im Januar 2007 teilte Intel mit, dass es erstmals seit vierzig Jahren für die Isolationsschicht nicht mehr Siliziumdioxid, sondern Hafnium verwendet. Das silbergraue Metall hat bessere elektrische Eigenschaften und reduziert die Leckströme um den Faktor zehn. Gordon Moore persönlich bezeichnete diesen Durchbruch als „die wichtigste Veränderung in der Transistor-Technologie seit den späten 1960er-Jahren.“
Dieser Meilenstein war aber nur die eine Hälfte der Lösung. Es stellte sich heraus, dass das neue Material nicht mit dem Gate des Transistors kompatibel war. Noch schlechter: Der erste Transistor mit dem neuen Isolationsmaterial arbeitete weniger effizient als die alten Transistoren. Die Antwort war der Einsatz eines neuen Materials auch für das Gate des Transistors: Eine einzigartige, gesetzlich geschützte Kombination von Metallen, die Intel streng geheim hält.
Am 12. November 2007 führte Intel eine neue Chip-Generation ein, die diese neuen Materialien nutzt und auf dem 45nm-Fertigungsprozess basiert. Im Vergleich zum 65nm-Vorgänger-Fertigungsprozess kann Intel damit die Anzahl der Transistoren auf derselben Fläche nahezu verdoppeln, so dass das Unternehmen die Wahl hat zwischen der Erhöhung der Anzahl der Transistoren oder der Produktion von kleineren Chips. Da die 45nm-Transistoren kleiner sind als die Vorgänger-Generation, brauchen sie bis zu 30 Prozent weniger Energie zum Ein- oder Ausschalten. Damit erzielen die neuesten 45nm-Chips von Intel nicht nur neue Leistungsrekorde, sondern bringen auch einen Durchbruch im Energieverbrauch.
Der Transistor und der Chip lieferten über die vergangenen Jahrzehnte hinweg eine höhere Prozessorleistung bei niedrigeren Kosten. Das erwies sich als die ultimative Lokomotive für die Automatisierung der Weltwirtschaft. Aber der Chip und der Computer haben noch eine lange Reise vor sich. Über die Jahre ist der Computer zu einem hervorragenden Vollstrecker von Befehlen geworden, die er von Menschen erhielt. Er druckt Briefe, verschickt E-Mails, führt Routineberechnungen in der Tabellenkalkulation durch und spielt Filme ab. Künftig wird der Computer immer mehr zu einem Ratgeber der Menschen; er wird von unserem Verhalten lernen und sich entsprechend anpassen. Die ersten Schritte in diese Richtung sieht man bei kundenorientierten Internet-Seiten wie Amazon oder iTunes. Sie schlagen ihren Kunden Produkte für den Erwerb vor, die auf deren bisherigem Kaufverhalten basieren.
Die höhere Prozessorleistung als Ergebnis des Mooreschen Gesetzes ermöglicht der Menschheit, größeren Einfluss auf die Probleme unserer Zeit zu nehmen: Klima, (Erb-)Krankheiten, erschwingliche Gesundheits-Dienstleistungen, die Enträtselung der Geheimnisse der Genetik. Die Art und Weise und die Geschwindigkeit, mit der diese Probleme aktuell erforscht werden, waren vor fünf Jahren undenkbar. Diese Anwendungen verändern Leben und retten Leben. Je höher die Prozessorleistung in Computern und Chips ist, desto bemerkenswerter werden die Ergebnisse auf diesen für die Menschheit so wichtigen Forschungsgebieten sein. Ein weiteres Jahrzehnt mit dem Mooreschen Gesetz wäre daher sehr willkommen.
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