Mehr Geschwindigkeit, weniger Stromverbrauch

Intels neue 3D-Transistoren

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von Marc Büchel, Ocaholic

Wenn Intel von 3D spricht, geht es nicht um die dreidimensionalen Kino-Blockbuster wie Avatar, Tron etc. sondern um eine neue Fertigungstechnologie von Transistoren. Unter dem Codenamen "Ivy Bridge" will der Chiphersteller in den kommenden ein bis zwei Jahren ebensolche 3D-Transistoren auf den Markt bringen. Vorteile bieten die neuen Tri-Gate-Transistoren bei der Geschwindigkeit und beim Stromverbrauch.

Noch kleiner, noch leistungsfähiger: Intels künftige 3-D-Transistoren.
Noch kleiner, noch leistungsfähiger: Intels künftige 3-D-Transistoren.

Anfang Mai hat Intel publik gemacht, dass das Unternehmen einen Durchbruch in der Fertigung von Transistoren erreicht habe. Normalerweise beinhaltet eine solche Meldung, dass man den Fertigungsprozess weiter schrumpfen konnte. Nicht dieses Mal.

Die Strukturbreite der verbesserten Transistoren wird immer noch 22 Nanometer betragen. Neu ist aber, dass Intel nun Halbleiter mit dreidimensionalen Strukturen herstellen kann. Bis dato konnten lediglich planare, zweidimensionale Bauteile gefertigt werden.

Gesteigerte Kontaktfläche

Bei den neuen Halbleitern handelt es sich um die sogenannten Tri-Gate-Transistoren. Hierbei umschliesst das Gate das als Finne ausgeführte Substrat zwischen Source und Drain gleichzeigt von drei Seiten. Von der Inversionszone wird es durch ein High-K-Dielektrikum getrennt. Ein herkömmlicher Transistor mit zweidimensionaler Struktur weist dagegen lediglich einen einzigen leitenden Kanal auf.

Dadurch, dass diese Halbleiter über eine gesteigerte Kontaktfläche verfügen, kann der Ansteuerungsstrom erhöht werden, was wiederum resultiert in einer gesteigerten Leistung resultiert. Hinzu kommt, dass auch die Leckströme reduziert werden können.

Bis anhin war man darauf angewiesen das aufwändige SOI-Verfahren (Silicon on Insulator) anzuwenden, um ebensolchen Leckströmen entgegenzuwirken. Laut Intel kann die Leakage nun um bis zu Faktor zehn gesenkt werden. Vor allem in Anbetracht der Tatsache, dass Leckströme die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturbreite erschweren, macht diesen Fortschritt in der Fertigungstechnologie zu einem der wichtigsten seit langem.

Im Detail betrachtet

Angewendet in aktuellen Prozessoren könnte man anhand dieser dreidimensionalen Transistoren entweder die Leistungsaufnahme senken oder die Taktrate erhöhen. Dementsprechend wäre es bei gleichbleibender Leistungsaufnahme möglich, leistungsfähigere oder energieeffizientere Prozessoren zu bauen. Selbstverständlich können auch beide Eigenschaften kombiniert werden.

Etwas weiter im Detail betrachtet kann man sich vorstellen, dass die Schaltzeit von planaren Transistoren bei einer weiteren Verkleinerung der Strukturen linear sinkt. 3D-Transistoren hingegen bieten den Vorteil, dass diese eine exponentielle Absenkung der Schaltzeit ermöglichen. Als Beispiel gibt Intel an, dass der Schaltzeitvorteil einer in 32 Nanometer Strukturbreite gefertigten CPU mit Tri-Gate-Transistoren gegenüber einem Prozessor, der auf Halbleiter mit planaren Strukturen basiert, bei einem Volt anliegender Spannung, satte 18 Prozent beträgt.

Sollte man an dieser Stelle die Spannung auf 0,7 Volt absenken, stiege der Schaltzeitvorteil des Tri-Gate-Transistors bereits auf 37 Prozent. Dementsprechend dürften vor allem Low-Voltage-Prozessoren von den neuen Bauteilen profitieren.

Zehn Jahre Entwicklungszeit

Die Zeitspanne von Forschung bis zur Marktreife für diese dreidimensionalen Transistoren betrug laut Intel insgesamt zehn Jahre. Geplant ist, dass die neuen Halbleiter ihren Einstand unter dem Codenamen „Ivy Bridge“ in Desktops, Notebooks und Servern haben werden. In den kommenden ein bis zwei Jahren werden alle von Intel gefertigten CPUs auf 3D-Transistoren basieren.

Aktuell hat die Technologie an und für sich nur einen einzigen kleinen Haken. Der Preis pro gefertigtem Transistor wird aufgrund der gestiegenen Komplexität um zwei bis drei Prozent steigen. Dem gegenüber steht aber, dass die aufwändige SOI-Technik nicht eingesetzt werden muss.

Dies hat schliesslich wiederum eine Kostenreduktion von zirka zehn Prozent zur Folge. Schliesslich gibt es noch einen nennenswerten Vorteil, den die dritte Dimension mit sich bringt: Durch eine dichtere Packung der Halbleiterelemente können auf demselben Raum bei derselben Strukturbreite von beispielsweise 22 Nanometer mehr Transistoren untergebracht werden.

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