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Auf die Größe kommt es an – Die Strukturgröße in der Halbleitertechnik

5. August 2022 | Tech

Kleine Halbleiter können eine bessere Leistung bei einem geringeren Stromverbrauch bieten. Chipsätze mit einer höheren Anzahl von Transistoren, bieten mehr Rechenleistung. Ein kleiner Formfaktor ermöglicht es, mehr Transistoren auf einem Chip unterzubringen, was wiederum dessen Leistung erhöht.

Die Strukturgröße von Halbleitern wurde früher in Mikrometer angegeben. Als diese jedoch immer kleiner wurden wechselte man ab der Größe 130nm auf die bis heute genutzte Einheit Nanometer.

Wafer

Beispiel für einen Wafer – Jedes Quadrat ist ein Chip (Die) mit mikroskopisch kleinen Transistoren und Schaltkreisen

CPUs werden mit Hilfe der Fotolithografie hergestellt, bei der ein Bild der CPU auf ein Stück Silizium geätzt wird. Da kleinere Transistoren energieeffizienter sind, können sie mehr Berechnungen durchführen und hierbei kühler bleiben. Hitze ist einer der begrenzenden Faktoren für CPU-Leistung. Durch kleinere Chips können auch die Kosten gesenkt werden, da die Dichte bei gleicher Größe erhöht wird, was wiederum mehr Kerne pro Chip bedeuten kann. 7nm ist doppelt so dicht wie ein 14nm-Chip, was es z.B. Unternehmen wie AMD ermöglicht, Serverchips mit 64 Kernen auf den Markt zu bringen, was eine starke Verbesserung gegenüber den vorherigen 32 Kernen darstellt.

Es ist jedoch auch so, dass ein 5nm-Chip nicht unbedingt doppelt so schnell und effizient sein muss wie ein 10nm-Chip. Die Leistung skaliert nicht exakt mit der Transistorgröße und bei so kleinen Maßstäben sind diese Zahlen auch nicht mehr so präzise. Die Art und Weise, wie die einzelnen Halbleiterhersteller die Größe messen, kann variieren, so dass man Größenangaben auch als Marketingbegriffe betrachten sollte, die zur Segmentierung von Produkten verwendet werden und nicht als exakte Messungen von Leistung oder Größe.

In der Theorie könnte man schon heute CPU’s mit deutlich kleinerer Strukturgröße fertigen, allerdings dann zu exorbitant hohen Kosten. Deswegen versuchen alle Hersteller das Optimum an Kosten in Abhängigkeit der Strukturgröße zu erreichen, die sie aus technischer Sicht im Stande sind zu produzieren.

Mooresches Gesetz

Das Optimum der Kosten in Abhängigkeit von der Strukturgröße verschiebt sich mit der Zeit zu niedrigeren Werten und kleineren Strukturgrößen

Smartphone Chips als Treiber für Innovationen im Bereich Halbleitertechnik

Bei einer Verkleinerung der Strukturgröße geht es aber wie gesagt nicht nur um die Leistung, sondern auch um den Energieverbrauch der Chips. Dies ist insbesondere für Mobilgeräte und Notebooks wichtig. Mit 7nm (im Vergleich zu 14nm) könnte man beispielsweise bei gleichem Stromverbrauch in etwa 25 % mehr Leistung erzielen, oder man könnte die gleiche Leistung bei halbem Stromverbrauch erreichen.

Das bedeutet eine längere Akkulaufzeit bei gleicher Leistung und viel leistungsfähigere Chips für kleinere Geräte. Bereits der A12X-Chip von Apple konnte einige ältere Intel-Notebook-Chips in Benchmarks schlagen, obwohl er nur passiv gekühlt und in einem Tablet (iPad Pro, 3. Generation) untergebracht ist. Das war der erste 7nm-Chip, der auf den Markt kam.

Bereits im Jahr 2020 kam mit dem M1-Chip dann der erste auf der Arm-Architektur basierende Desktop Chip von Apple auf dem Markt. Dieser Chip basiert auf der iPhone Chip-Architektur A14 die im iPhone 12 zum Einsatz kommt und ist 5nm klein. Spätestens im nächsten Jahr soll dann die nächste Generation der von taiwanesischen Hersteller TMSC produzierten Chips auf den Markt kommen und nur noch 3nm groß sein. Die Produktion soll noch 2022 starten.

TSMC ist als Chip-Auftragsfertiger der Konkurrenz um ein bis zwei Generationen voraus und setzt seit Jahren den Maßstab. Im Bereich der Auftragsfertigung von High-End-Chips mit 5 bis 10 Nanometern Transistorengröße haben sie einen Marktanteil von weit über 80 Prozent. Daraus lässt sich ein enormer geopolitischer Einfluss dieses Unternehmens ableiten. Im Taiwan-Konflikt spielt TSMC eine bedeutende Rolle. Sowohl für China als auch für die USA und letztlich die ganze Welt.

Drei Indikatoren, die zeigen, warum es bei Chips um die Größe geht

Also kurz zusammengefasst, warum sind Chips mit einer kleinen Strukturgröße besser?

Schnellere Prozessorleistung

Wie bereits erwähnt, sind in den Chips mit kleiner Strukturgröße die Transistoren dicht gepackt und der Abstand zwischen den einzelnen Transistoren ist gering. Da die Elektronen eine kürzere Strecke zurücklegen müssen, wird das elektrische Signal schneller weitergeleitet, was zu einer schnelleren Verarbeitung führt.

Es wird weniger Wärme produziert

Die Bewegung der Elektronen verursacht einen großen Energieverlust in Form von Wärme. Je kleiner die Strukturgröße, desto geringer sind die Strecken, die die Elektronen zurücklegen müssen, so dass weniger Wärme erzeugt wird. Da die erzeugte Wärmemenge geringer ist, bleibt die Temperatur der Chips mit kleinen Nanometern außerdem kühler, so dass sie über einen langen Zeitraum hinweg eine nachhaltige Leistung erbringen können. Dies führte dazu, dass Apple mit dem M1 (5nm) Macbook Air gänzlich auf einen eingebauten Lüfter verzichten kann.

Geringerer Energiebedarf

Da die Transistoren dicht gepackt sind, können die Elektronen leichter fließen und benötigen weniger Energie. Dies ist insbesondere für Notebooks von Vorteil, da diese auch ohne direkte Stromzufuhr funktionieren und die Akkulaufzeit von kleinen Strukturgrößen direkt profitiert.

Fazit

Natürlich sind die Strukturgrößen mittlerweile auch ein Marketingbegriff und sollen technische Überlegenheit suggerieren. Dennoch spiegeln sie auch den Fortschritt in der Branche wider und wir alle profitieren von diesem. Insbesondere mit unseren Mobile Devices.

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