Man kann kaum genug betonen, wie viel von unserer modernen Existenz auf einem Gerät beruht, das als einfaches Audio-Tool begann. Vor der Mitte des 20. Jahrhunderts war die Elektronik schwer, heiß und unzuverlässig. Die Öffentlichkeit war für alles, vom Radio bis zum frühen Computer, auf Vakuumröhren angewiesen. Sie waren zerbrechlich. Sie brannten häufig aus. Sie erzeugten genug Hitze, um die Ausrüstung zu verzerren. Dann kam der Transistor.
1947 von Ingenieuren der Bell Laboratories entwickelt, war das ursprüngliche Ziel bescheiden. Sie brauchten eine Möglichkeit, den Ton über Telefonleitungen zu verstärken. Die Vakuumröhre war der Standard, aber sie war unhandlich. Das neue Gerät ersetzte es durch etwas Solid-State-Gerät. Es war kleiner. Es war kühler. Es war zuverlässiger.
Die erste Iteration war ein Punktkontakttransistor. Es war einen halben Zoll groß. Ungefähr 1,27 Zentimeter. Nach heutigen Maßstäben war es nicht besonders leistungsstark, aber die Physiker erkannten sofort das Potenzial. Ingenieure begannen, diese winzigen Schalter in Radios und andere elektronische Geräte einzubauen. Sie haben gelernt, sie zu verkleinern. Sie haben gelernt, sie effizienter zu machen.
Diese unerbittliche Miniaturisierung führte 1958 zu einem großen Sprung. Ingenieure befestigten zwei Transistoren an einem einzigen Siliziumkristall. Sie schufen den ersten integrierten Schaltkreis. Dies war die Brücke zum Mikroprozessor. Wenn ein Computer ein Körper ist, ist der Mikroprozessor das Gehirn. Es verarbeitet Daten. Es führt Berechnungen durch. Ohne den integrierten Schaltkreis kann sich dieses Gehirn nie bilden.
Moores Gesetz und die Siliziumkrise
In den 1960er Jahren hatte das Innovationstempo einen Namen. Gordon Moore, Informatiker und Mitbegründer von Intel, bemerkte ein Muster. Er beobachtete, dass Ingenieure alle zwölf Monate die Anzahl der Transistoren auf einem Quadratzoll Silizium verdoppelten. Es passierte wie am Schnürchen. Die Größe ist kleiner geworden. Die Dichte stieg.
Dieser Trend brachte uns den Personal Computer. Das Smartphone. Der MP3-Player. Ohne diese winzigen Schalter würden wir immer noch mechanische Schalter betätigen und uns für grundlegende Berechnungen auf Vakuumröhren verlassen. Der Schrumpfungstrend hielt über Jahrzehnte an. Aber es hat nicht ganz mit Moores ursprünglicher Vorhersage Schritt gehalten. Heute dauert der Verdoppelungszyklus etwa 24 Monate. Es ist langsamer. Aber das Ergebnis ist das gleiche. Wir packen mehr Leistung auf kleinerem Raum.
Wie klein kann ein Transistor werden? Im Jahr 1947 war das erste Gerät über einen Hundertstel Meter hoch. In den 2010er Jahren produzierte Intel Mikroprozessoren mit Transistoren von nur 45 Nanometern Breite. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Das Ausmaß ist schwer zu verstehen.
Physische Grenzen und zukünftige Chips
Hersteller arbeiten bereits an der nächsten Generation. Chips bewegen sich in Richtung Transistoren, die nur 32 Nanometer breit sind. Doch einige Physiker und Ingenieure schlagen Alarm. Wir könnten an grundlegende physikalische Grenzen stoßen. Quanteneffekte beginnen zu stören, wenn die Dinge so klein werden. Elektronen tunneln durch Barrieren, die sie nicht sollten. Hitze wird zum Albtraum.
Die Geschichte des Transistors ist nicht nur eine Frage der Technik. Es geht um unseren unermüdlichen Antrieb, die Dinge kleiner zu machen. Schneller. Effizienter. Wir sind gegen eine Wand gestoßen. Die Wand ist ein physikalisches Gesetz. Aber wir machen weiter. Die nächsten Jahre werden uns zeigen, ob wir den Durchbruch schaffen oder das Ende der Silizium-Welt erreicht haben.
Anatomie eines Transistors
Um zu verstehen, warum Computer an ihre Grenzen stoßen, muss man zunächst verstehen, was ein Transistor ist. Es ist keine Zauberei. Es ist ein Schalter. Und nicht irgendein Schalter. Es handelt sich um einen Schalter aus Materie, der sich unter Druck seltsam verhält.
Materie lässt sich im Allgemeinen in drei Eimer einteilen.
Leiter lassen den Strom frei fließen. Denken Sie an Kupfer. Es verfügt über viele freie Elektronen, die sich bewegen können.
Isolatoren blockieren den Durchfluss vollständig. Glas. Keramik. Die Elektronen stecken fest.
Dann gibt es noch die Halbleiter. Silizium sitzt in der Mitte. Es verfügt über etwas Elektronenraum, aber nicht genug, um wie ein Metall zu leiten. Es ist hartnäckig. Es braucht einen Anstoß.
Dieser Anstoß ist der Schlüssel. Durch die Optimierung der Bedingungen zwingen Ingenieure Silizium dazu, zwischen leitend und isolierend zu wechseln. Dieses binäre Verhalten – ein- und ausgeschaltet – ist die Grundlage aller modernen Computer. Damit sich Silizium jedoch verhält, ist ein Prozess erforderlich, der Dotierung genannt wird.
Dotierung und das Substrat
Ingenieure bringen spezifische Verunreinigungen in Silizium ein, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern. Sie beginnen mit einem Grundmaterial namens Substrat.
In unserem Beispiel betrachten wir einen n-Typ-Transistor. Das bedeutet, dass das Substrat positiv geladen ist.
Damit dies funktioniert, benötigen Sie drei spezielle Anschlüsse auf diesem Substrat:
- Quelle
- Abtropfen
- Tor
Das Gate befindet sich zwischen Source und Drain. Es fungiert als Einwegventil für Spannung. Es lässt Strom in das Silizium eindringen, aber das Design verhindert, dass er wieder herausfließt.
Wie? Das Gate ist durch eine dünne Oxidschicht vom Substrat getrennt. Dieser Isolator verhindert, dass Elektronen direkt durch den Gate-Anschluss gelangen.
Bei einem n-Typ-Transistor sind Source und Drain negativ geladen. Wenn Sie eine positive Spannung an das Gate anlegen, geschieht etwas Physikalisches im Inneren des Siliziums.
Der Elektronenkanal
Legen Sie eine positive Spannung an das Gate an.
Dadurch werden die freien Elektronen im positiv geladenen Substrat angezogen. Sie häufen sich an der Oxidschicht unter dem Tor.
Dadurch entsteht ein Elektronenkanal.
Zwischen Source und Drain bildet sich eine Leitfähigkeitsbrücke.
Legt man dann eine positive Spannung in den Drain, fließen Elektronen. Sie wandern von der Quelle durch den neu gebildeten Kanal bis zum Abfluss.
Spannung vom Gate entfernen? Die Anziehung verschwindet. Die Elektronen streuen. Der Kanal bricht zusammen.
Aktuelle Stopps.
Auf diese Weise fungiert ein Transistor als Schalter.
- Spannung am Gate = Ein
- Keine Spannung am Gate = Aus
Computer lesen diesen binären Zustand als Bits. Eins. Null. Eins. Null. Ihr gesamtes digitales Leben basiert auf Milliarden dieser winzigen, physischen Schalter, die hin und her betätigt werden.
P-Typ-Variationen
Aus Gründen der Übersichtlichkeit haben wir einen n-Typ-Transistor verwendet. Es gibt aber auch p-Typ-Transistoren.
In einem p-Typ-Setup kehren Sie die Gebühren um. Das Substrat ist mit negativ geladenem Material dotiert. Die Anschlüsse tragen eine positive Ladung. Die Logik bleibt dieselbe, aber die Physik der Ladungsträger dreht sich um.
Die meisten modernen Chips verwenden eine Kombination beider Typen, die sogenannte CMOS-Technologie, um den Stromverbrauch zu minimieren. Aber bevor wir zur Architektur kommen, müssen wir uns mit der Hardware auseinandersetzen.
Transistoren auf der Nanoskala
Das Problem ist nicht das Konzept. Das Konzept funktioniert. Das Problem ist die Größe.
Wenn Transistoren schrumpfen, um mehr davon auf einen Chip zu bringen, beginnen Quanteneffekte einzudringen. Elektronen tunneln durch Barrieren, die sie eigentlich nicht überwinden sollten. Die Oxidschicht wird so dünn, dass Elektronen durch sie hindurch dringen, selbst wenn das Gate ausgeschaltet ist.
Dieses Auslaufen verkürzt die Batterielebensdauer. Es erzeugt Wärme. Und es entstehen Fehler.
Wir miniaturisieren seit Jahrzehnten Transistoren. Uns geht der Platz aus, sie kleiner zu machen, ohne die Gesetze der Physik zu brechen.
Was passiert, wenn der Switch selbst unzuverlässig wird?
Warum die Schrumpfung von Transistoren an ihre Grenzen stößt
Journalisten lieben es, den Tod des Mooreschen Gesetzes vorherzusagen. Jedes Jahr veröffentlicht jemand einen Artikel, in dem erklärt wird, dass Transistoren ihre Größenbeschränkung erreicht haben. Dann finden Ingenieure einen Workaround. Der Transistor wird kleiner. Die Vorhersage ist falsch. Wir befinden uns in einem Teufelskreis falscher Alarme, auch weil Schriftsteller davor zurückschrecken, das Endspiel zu benennen.
Aber das Endspiel ist real. Es ist keine Frage der Ingenieurskunst. Es ist eine Frage der Physik.
Sobald Sie die Nanoskala erreicht haben, lassen Sie die klassische Physik hinter sich. Sie betreten die Welt der Quantenmechanik. Hier wirken Materie und Energie nach Regeln, die nicht intuitiv zu sein scheinen. Man kann ein Quantensystem nicht einmal beobachten, ohne sein Verhalten zu ändern.
Wenn Elektronen unter allen Umständen ein Tor passieren können, gibt es keine Möglichkeit, ihren Fluss zu kontrollieren.
Das größte Problem ist das Elektronentunneln. Betrachten Sie es als Teleportation. Wenn eine Materialbarriere extrem dünn ist – etwa einen Nanometer oder die Breite von zehn Atomen – können Elektronen sie direkt passieren. Sie machen kein Loch. Sie schlagen nicht durch. Das Elektron verschwindet einfach auf der einen Seite und taucht auf der anderen wieder auf.
Tore sollen den Elektronenfluss steuern. Wenn Elektronen durch das Tor tunneln, geht die Kontrolle verloren. Es entstehen undichte Transistoren. Der Prozessor wird wirkungslos. Es könnte sein, dass es nicht einmal funktioniert.
Unternehmen wie Intel arbeiten bereits mit Transistoren mit einer Breite von etwa 32 Nanometern. Die Oxidschicht wird gefährlich dünn. In der Vergangenheit haben Ingenieure immer einen Weg gefunden, diese Hindernisse zu umgehen. Sie halten sich an das Mooresche Gesetz. Doch dieses Mal stehen sie vor einem grundlegenden Naturgesetz.
Ingenieure könnten einen wirksamen Isolator bei einem Nanometer finden. Es ist möglich. Aber selbst dann kommt man mit herkömmlichen Transistoren nicht mehr weit. Jenseits der Nanoskala liegt die atomare Skala. Hier sind Materialien nur wenige Atome groß. Ihnen geht das Material zum Arbeiten aus.
Das bedeutet nicht, dass Transistoren verschwinden werden. Dies bedeutet, dass sich das exponentielle Wachstum in der Mikroprozessorentwicklung verlangsamen wird. Es wird sich einpendeln. Die Verbesserungen der reinen Rechenleistung werden nicht in diesem rasanten Tempo weitergehen.
Aber die Hersteller werden immer noch Wege finden, die Effizienz zu verbessern. Die Leistung wird steigen, aber nicht exponentiell.
Es gibt noch eine andere Möglichkeit. Mikroprozessorhersteller suchen nach Alternativen zu herkömmlichen Transistoren. Einige versuchen bereits, Quanteneffekte auf der Nanoskala nutzbar zu machen. Sie verwandeln Nano-Zitronen in Nano-Limonade.
Moores Gesetz könnte nur noch ein paar Jahre Bestand haben. Aber wenn man Jahrzehnte zurückblickt, haben Journalisten die gleiche Behauptung aufgestellt. Ingenieure betrachten diese Vorhersagen wahrscheinlich als persönliche Herausforderung. Sie werden weiter Druck machen. Aber die Gesetze der Physik sind eine schwer zu durchbrechende Mauer.
Kleine Pakete
Der Intel Atom ist eine Sammlung kleiner, aber leistungsstarker Prozessoren, die für den Einsatz in Smartphones entwickelt wurden.
