“Durchbruch”: Intels neuer 3D-Transistor

Ivy Bridge wird der Chip heißen, der als erster mit einem dreidimensionalen Transistor ausgeliefert wird. Dieser Trigate-Transistor sei jetzt reif für die Serienproduktion im 22-Nanometer-Verfahren, teilt Intel mit. Durch die neue Struktur der Transistoren kann Intel auf kleinerem Raum schnellere und vor allem energieeffizientere Chips herstellen.

Nachdem man mit den herkömmlichen Verfahren langsam aber sicher an physikalische Grenzen stößt, habe man einen grundlegend neuen Ansatz gebraucht, erklärt Intel-Senior-Fellow Mark Bohr in San Francisco bei der Vorstellung der neuen Technologie.

Jetzt werden die stromführenden Kanäle nicht mehr auf einer ebenen Fläche angeordnet, sondern auf den drei Seiten einer dreidimensionalen “Flosse”. Die meisten Vorteile ergeben sich dadurch, dass die Gates um diese Flosse gewickelt sind.

Der Forrester-Analyst Richard Fichera sieht in dieser Dreidimensionalität einen fundamentalen Wandel der Geometrie von Halbleitern eingeläutet, wie er in einem Blog erklärt. “Diese Technologie wird im Laufe der Zeit zum Standard bei allen Intel-Produkten werden”, vermutet der Analyst.

Das traditionelle “flache” zweidimensionale Gate wird durch einen extrem dünnen drei-dimensionalen “Grat” ersetzt, der sich vertikal vom Siliziumsubstrat erhebt. Das Gate der 2D-Planar-Transistoren wird in die dritte Dimension erweitert und umschließt auch auf den beiden Seiten diesen Grat. Das ermöglicht eine bessere Kontrolle des Stromflusses. Der Strom fließt besser, wenn der Transistor eingeschaltet ist. Das bedeutet mehr Rechenleistung und es verringert Verluste, wenn der Transistor ausgeschaltet ist. Weil dieser Grat so dünn ist, kann der Transistor schneller als bisher zwischen diesen beiden Zuständen wechseln und – wie Intel mitteilt – das bedeutet wiederum mehr Rechenleistung.

Gegenüber den herkömmlichen 32-Nanometer-Chips sparen die neuen Halbleiter auf 22-Nanometer-Basis über die Reduzierung von Leckströmen 37 Prozent Strom. Bei gleichbleibender Performance bedeute das eine Energieeinsparung von rund 50 Prozent. Der Energieverlust innerhalb der Transistoren, so heißt es von Intel, ginge gegen Null.

Durch die neue dreidimensionale Struktur erhöhen sich allerdings die Produktionskosten pro Wafer um 2 bis 3 Prozent. Die Umstellung der Fabrikation werde sich laut Intel bis in das erste Quartal 2012 hinziehen.

“Die Leistungssteigerung und Energieersparnis der 3D-Transistoren sind nicht vergleichbar mit dem, was wir bisher gesehen haben”, sagt Mark Bohr, Intel Senior Fellow. “Dieser Durchbruch ist viel mehr als eine Fortschreibung des Mooreschen Gesetzes. Die Vorteile, die wir bei geringerer Kernspannung sehen, übertreffen bei weitem das, was wir normalerweise bei einer neuen Prozessorgeneration bekommen.”

Diese Tri-Gate-Technologie ist nicht neu. 2002 stellte Intel zum ersten Mal diesen neuen Ansatz vor. Auch andere Hersteller wie IBM forschen an diesen dreidimensionalen Strukturen. Doch Intel ist der erste Hersteller, der jetzt offenbar in der Lage ist, diese Technologie in großen Stückzahlen zu produzieren. Erste Prototypen würden bereits an Partner ausgeliefert. Die Serienproduktion hingegen werde im Laufe des nächsten Jahres starten.

Die ersten Chips, die diese neuen Transistoren bekommen werden, sind PC- und Server-Chips. Möglicherweise werden über die Zeit auch andere Prozessoren für kleinere Geräte wie Smartphones mit der neuen Transistortechnologie ausgerüstet werden.