Die Zukunft beginnt heute: Wie innovative Techniken die Leistungsfähigkeit von Chips neu definieren

Kürzlich hatte ich die Gelegenheit, eine KI-fähige Brille auszuprobieren, und war begeistert, wie handlich und schick diese Brillen mittlerweile sind. Wir kennen tragbare Geräte ja oft als etwas sperrig und unhandlich. Aber wir sind auf dem besten Weg, Designs zu entwickeln, mit denen wir KI intuitiv in unser Leben integrieren können. Dieser Wandel ist hauptsächlich auf den rasanten technologischen Fortschritt zurückzuführen, der unsere Welt in den letzten Jahren grundlegend verändert hat.

Als ich die Brille betrachtete, wurde mir bewusst, dass künftige Modelle einen integrierten Hochleistungscomputer benötigen werden. Eine leichte und energieeffiziente Lösung, ausgestattet mit einer Batterie, die lange durchhält, und kein einziges Gramm zu schwer ist. Letztendlich benötigen wir die Leistung eines Smartphones, integriert in den winzigen Platz dieser Brille. Was für eine technische Herausforderung!

Herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis stoßen in Bezug auf Größe und Leistung an ihre physikalischen Grenzen, sodass die Industrie neue Materialien und innovative Technologien erforschen muss, um die Leistung der Geräte weiter zu steigern. Bei dieser Transformation geht es vor allem darum, den steigenden Anforderungen gerecht zu werden, die künstliche Intelligenz und das Internet der Dinge (IoT) mit sich bringen.

In diesem Blog werde ich drei Möglichkeiten aufzeigen, um den Platzbedarf zu minimieren, ohne dabei auf Rechenleistung zu verzichten: Transistorarchitektur, Interconnects und Advanced Packaging. Mit ihrer Hilfe können wir Leistung und Effizienz weiter verbessern, physikalische Grenzen weiter ausreizen und so kleinere, schnellere und leistungsfähigere elektronische Geräte entwickeln.

1.       Die Transistorarchitektur wird robuster und vielseitiger

Jahrzehntelang dominierten Planartransistor-Designs die Halbleiterlandschaft. Der Übergang zu dreidimensionalen FinFET-Architekturen revolutionierte die Effizienz und Leistung von Transistoren, indem die Gate-Kontrolle über den Kanal verbessert wurde. Jetzt geht die Industrie immer mehr zur Gate-All-Around-Architektur (GAA) über, bei der ein Nanodraht oder ein Nanosheet komplett vom Gate umschlossen wird. Aus meiner Sicht sind GAA-Transistoren ein spannender nächster Schritt, um die Energieeffizienz deutlich zu erhöhen, da sie im Vergleich zu FinFET eine überlegene elektrostatische Kontrolle, geringere Leckströme und eine verbesserte Skalierbarkeit versprechen. Diese Entwicklung wird eine neue Generation von Hardware ermöglichen und so den technologischen Fortschritt vorantreiben.

2.       Neuartige Interconnects sind nötig, um mit leistungsfähigeren Geräten Schritt zu halten

Die Weiterentwicklung von Interconnects (feinste mikrometergroße Verbindungen zwischen verschiedenen Schaltkreisen) ist entscheidend, um den Anforderungen nach höherer Leistung und geringerem Stromverbrauch gerecht zu werden. Herkömmliche Kupfer-Interconnects stoßen bei schrumpfenden Transistorgrößen an ihre Grenzen hinsichtlich Widerstand, Kapazität und Zuverlässigkeit. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, erforschen wir alternative Materialien, die einen geringeren elektrischen Widerstand und eine niedrigere Kapazität aufweisen, um eine schnellere Signalübertragung und einen reduzierten Energieverbrauch zu ermöglichen. Besonders interessant finde ich persönlich die Verwendung von Molybdän, einem chemischen Element mit hohem Schmelzpunkt. Es bietet günstige Widerstands- und Leistungseigenschaften und senkt das Risiko der Elektromigration, einem Hauptausfallmechanismus bei kleinen Interconnects. Dies macht es zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Optionen.

3.       Advanced Packaging ermöglicht heterogene Chips für zukünftige Leistungssteigerungen

Neuartige Packaging-Technologien sind entscheidend für die Integration mehrerer Chips und Komponenten in ein einziges Gehäuse, wodurch die Gesamtleistung und die Funktionalität des Systems verbessert werden. Neue Methoden wie Fan-Out Wafer-Level Packaging (FOWLP) und Through-Silicon Via (TSV) erhöhen die Integrationsdichte und können so Wärmemanagement und Signalintegrität vereinfachen. Dies ist sehr spannend, da Advanced Packaging es uns ermöglicht, verschiedene Funktionalitäten wie Speicher, Prozessoren und Sensoren in einen kompakten Raum zu integrieren, was für alle Bereiche von Hochleistungsrechnern bis hin zu mobilen Geräten unerlässlich ist.

Die Innovationen von morgen gestalten, indem wir F&E heute vorantreiben

Die aktuelle Entwicklungsphase in der Halbleiterindustrie stellt einen historischen Moment dar, der von transformativen technologischen Fortschritten geprägt ist. Mit Blick auf die Zukunft wird die Einführung neuer Transistorarchitekturen, fortschrittlicher Interconnects und innovativer Packaging-Techniken die zukünftige Landschaft der Halbleitertechnologie bestimmen. In fünfzig Jahren könnte diese Ära als prägend für die nächste Welle branchenübergreifender, technologischer Innovationen angesehen werden.

Während sich die Halbleiterindustrie in Richtung kleinerer, höherer und leistungsfähigerer Technologien bewegt, konzentrieren wir uns bei Merck Electronics darauf, neue technologische Umbrüche zu ermöglichen und gemeinsam die Grenzen des Machbaren weiter zu verschieben. Durch den Einsatz neuer Materialien und die Weiterentwicklung von Fertigungstechniken ebnen wir den Weg für eine Zukunft, in der die Halbleitertechnologie weiterhin ein Eckpfeiler für Innovation, Fortschritt und technologisch anspruchsvolle Geräte der nächsten Generation sein wird.