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Hardwareentwicklung: Technologieknoten

Foto: pixabay.com
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Der Begriff Technologieknoten bezeichnet in der Halbleitertechnik eine wahre Revolution, nämlich die kleinste fotolithografisch herstellbare Strukturgröße. Diese hat sich innerhalb der letzten Jahrzehnte stark verändert. Die Entwicklung der Technologieknoten und ihre Hintergründe wird im folgenden Artikel näher behandelt.

 

Hintergründe

Die Benennung der jeweiligen Technologieknotengeneration (Bsp.: 180nm) bezieht sich auf den Half Pitch von DRAM-Bauelementen wie beispielsweise dem Abstand zweier Leiterbahnen. Diese Angabe beschreibt jedoch nicht direkt die kleinste fotolithografische Struktur, da es sich lediglich um den halben Abstand handelt (daher auch „Half Pitch“). So kann die Gatelänge eines 65nm-Prozeses auch kleiner sein als 65nm und lässt keine unmittelbaren Rückschlüsse auf die tatsächliche Strukturgröße zu.

Des Weiteren ist zu beachten, dass die Technik der Hersteller grundlegend unterschiedlich ausfallen kann und so nicht untereinander vergleichbar ist. Beispiele hierfür sind die Materialwahl sowie die High-k+Metal-Gate-Technik. Ebenfalls nutzt nicht jeder Hersteller die Benennung seiner Produkte mittels Technologieknoten-Kennung, da es nicht zwingend vorgeschrieben ist.

Von 180nm zu 14nm in 15 Jahren

Im Jahr 1999 wurde die erste nm-Struktur eingeführt. Von nun an waren 180nm das Maß der Dinge. Die wesentliche Neuerung bestand in der Materialwahl (Kupfer statt Aluminium), womit auch einige zusätzliche Prozessschritte notwendig wurden, um die notwendigen Rahmenbedingungen zu schaffen. Innerhalb der folgenden zehn Jahre war es möglich, die Fertigungsprozesse bis auf die 45nm-Größe zu schrumpfen. Die neu eingeführte High-k+Metal-Gate-Technik ist seither kaum noch wegzudenken. Sie ermöglicht eine deutlich kleinere Bauweise und völlig neue Anwendungsbereiche der Halbleitertechnik. Zudem konnten Leckströme durch Tunneleffekte am Transistor deutlich reduziert werden.

Die kurze Zeit später folgende 32nm-Technik kombinierte die Immersionslithografie mit dem Double-Patterning-Verfahren. Zuvor wurden zwar schon beide Verfahren genutzt, jedoch mussten sie nun beide zusammen eingesetzt werden, um eine prozesssichere Fertigung zu gewährleisten. Die Paradebeispiele für 32nm-Prozessoren sind Intels i3- und i5-CPUs.

Spätestens nach 2010 wurde deutlich, wie schnell nun die Weiterentwicklung der Technologieknoten vorangeschritten war und dass ihre Wachstumsgeschwindigkeit exponentiell zunahm. Innerhalb der folgenden vier Jahre wurde eine weitere Verkleinerung der Strukturgröße auf 14nm möglich (Intel Broadwell). Der Hersteller Intel konnte sich in den vergangenen Jahrzehnten deutlich von der Konkurrenz absetzen und gilt heute als Marktführer.

Ein großer Schritt war die Umstellung vom Planarprozess auf den Einsatz von Multigate-Feldeffekttransistoren. So konnten Leckströme weiter minimiert werden, wodurch derart kleine Strukturgrößen erst ermöglicht wurden.

Für den Alltag bedeuten die enormen Änderungen in der Halbleitertechnik vor allem, dass immer mehr Rechenleistung in immer kleiner werdenden Formfaktoren angeboten werden kann, was einen gewaltigen Facettenreichtum bzgl. der Anwendungsgebiete mit sich bringt. Viele Experten sind sich sicher, dass eine weitere Verkleinerung der Strukturgrößen kaum mehr möglich ist. Ob und wie sich die Technologieknoten weiter verändern, werden die nächsten Jahre zeigen.

 

 

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