Halbleiterfertigung: Wie Intel eine Billion Transistoren in den Chip bringen will
Mindestens eine Billion, also 1012 Transistoren(öffnet im neuen Fenster) will Intel bis 2030 in ein Package integrieren und das bereits oft totgesagte mooresche Gesetz so am Leben halten. Die Technologien dafür entwickelt aktuell die Forschungsabteilung des Konzerns, über die Fortschritte berichten deren Forscher auf der Halbleiterkonferenz IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)(öffnet im neuen Fenster) .
An insgesamt zehn Vorträgen sind Intels Wissenschaftler beteiligt, die Themen reichen von sogenannten 2D-Materialien über Verbesserungen beim Packaging bis hin zur Optimierung von Quantencomputern. Dem praktischen Einsatz am nächsten sind die Packaging-Methoden, mit denen einzelne Silizium-Dies zu einem Chip vereinigt werden.
Ein wichtiger Faktor bei solchen Multi-Die-Packages sind die elektrischen Verbindungen: Sie benötigen im Vergleich zu Leitern im Silizium mehr Energie und Fläche. Hier konnten Intels Forscher zum zweiten Mal in Folge einen deutlichen Schritt nach vorn machen: Der Abstand zwischen den Kontaktflächen konnte auf weniger als ein Drittel verringert werden, sie liegen nun nur noch 3 μm voneinander entfernt. Intel will damit quasi-monolithische Chips bauen, das Package mit mehreren Dies soll sich elektrisch kaum von einem einzigen großen Chip unterscheiden.
Stapelbarer Magneteffektspeicher
Daneben konnte Intel erstmals sogenannten ferroelektrischen Speicher (FeRAM) über die Transistoren eines Chips stapeln, sogar auf mehreren Ebenen. Damit lässt sich Speicher platzsparender integrieren, etwa für Caches, die aktuell große Flächenanteile jedes Prozessors ausmachen.
Neben FeRAMs, die auf Hafniumdioxid aufbauen, sprechen Intels Wissenschaftler auch über Moybdändisulfid , ein sogenanntes 2D-Material, mit dem sich Lagen von nur einem Molekül Stärke erzeugen lassen. Das soll die elektrischen Eigenschaften von Transistoren deutlich verbessern und ist für Gate-all-around-Transistoren interessant. Das Material zu kontaktieren, ist allerdings eine Herausforderung. Mit einem Simulationswerkzeug erkunden Intels Wissenschaftler die besten Möglichkeiten. Ein weiterer Simulator soll helfen, die Qbits eines Quantencomputers länger stabil zu halten.
Noch einige Jahre bis zur Serienreife
Bis die in den Veröffentlichungen gezeigten Entwicklungen sich in der Praxis wiederfinden, werden noch einige Jahre vergehen. Auch forscht Intel hier keineswegs allein, für viele Entwicklungen wurden zuvor die Grundlagen mit dem belgischen Forschungsinstitut Imec gelegt. Intels Forscher arbeiten jetzt daran, sie in den eigenen Fertigungsprozess zu integrieren, anschließend müssen sie in neue Prozessordesigns aufgenommen werden.
Das dauert erfahrungsgemäß einige Jahre, 2D-Materialien etwa werden erst bei einer Weiterentwicklung der GAA-Transistoren zum Einsatz kommen. Auch FeRAM kann noch nicht alle Bereiche abdecken, aktuell eignet er sich nur als Alternative zu Flash-Speicher, da er altert. Intel ist zudem nicht das einzige Unternehmen, das an ferroelektrischen Transistoren (FeFETs) und dem auf FeFETs aufbauenden FeRAM forscht, Globalfoundries etwa integriert beides bereits in seine Fertigung, auch Samsung veröffentlicht auf dem IEDM 2022 zu FeRAM.