Wie Moores Gesetz sich neu erfindet in der Chip-Ära

An einem Frühlingstag 1965 setzte eine kurze Notiz eines 36-jährigen Ingenieurs den Takt für die moderne Technik. Gordon Moores Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren etwa alle 18–24 Monate verdoppeln würde, während die Kosten sänken, wurde weniger zu einer Prognose und mehr zu einem Versprechen. Jahrzehntelang trieb dieser Rhythmus eine Ära an: raumgroße Großrechner wichen taschengroßen Computern mit mehr Rechenpower als die Raumfahrzeuge, die zuerst den Mond erreichten.

Versprechen haben jedoch eine Haltbarkeit, die an Naturgesetze gebunden ist. Das Verkleinern von Transistoren funktionierte Wunder, bis deren Dimensionen an Atome stießen. Das Dennard-Scaling garantierte einst bessere Leistung und geringeren Energieverbrauch bei kleineren Strukturen, doch diese Regel brach zusammen, lange bevor Chips atomare Größen erreichten. Die Gewinne, die selbstverständlich schienen, begannen sich zu verlangsamen und schließlich zu stagnieren.

Wie und warum wurde der Sprint zu einem Kriechen? Die Physik, unverblümt und kompromisslos. Sobald die Tore von Transistoren nur noch wenige Nanometer breit sind, buchstäblich eine Handvoll Siliziumatome, verhalten sich Elektronen nicht mehr wie ordentliche Billardkugeln. Sie verhalten sich wie Wellen. Sie tunneln. Ein Transistor, der ausgeschaltet sein soll, kann Strom lecken, weil ein Elektron durch das, was früher eine undurchdringliche Barriere war, 'tunneln' kann. Kleine Lecks summieren sich. Milliarden undichter Schalter auf einem einzigen Die verwandeln einen cleveren Prozessor in einen kompakten Heizkörper.

Wärme brachte eine weitere Grenze: die thermische Wand. Taktraten stiegen von einstelligen Gigahertz in Richtung zuvor unvorstellbarer Werte, doch bei etwa 4 bis 5 GHz verschwanden die Vorteile. Erhöht man die Frequenz, rechnet man nicht nur schneller, man 'kocht' den Chip. Das führte zu dem kuriosen und kostspieligen Phänomen, das als Dark Silicon bekannt ist, große Bereiche eines Chips, die jederzeit abgeschaltet bleiben müssen, um ein Überhitzen zu vermeiden. Mehr Transistoren bedeuteten nicht mehr nutzbare Leistung.

Ingenieure weigerten sich, die Niederlage zu akzeptieren. Sie formten Transistoren dreidimensional um. 2011 führte die Branche FinFETs ein, eine finnenartige Struktur, die es dem Gate erlaubt, den Kanal von mehreren Seiten zu kontrollieren und Lecks einzudämmen. FinFETs kauften der Roadmap ein weiteres Jahrzehnt Zeit und ermöglichten 7-nm- und 5-nm-Knoten. Aber als die Nodes Richtung 3 nm und darunter krochen, zeigten auch FinFETs Schwächen. Die Antwort war eine engere Umarmung: GAAFETs, bei denen das Gate Nanobänder oder Nanosheets vollständig umschließt und jeder Fluchtweg zugedrückt wird. Solche Skulpturen im atomaren Maßstab zu bauen, ist eine der großen Ingenieursleistungen.

Aber Physik ist nur die halbe Geschichte. Die Ökonomie schrieb das andere Kapitel. Die Fotolithographie an der Spitze hängt jetzt von extrem ultravioletten Werkzeugen ab, massive Maschinen, die ohne enorme Expertise praktisch unmöglich zu bauen sind. ASML in den Niederlanden ist der alleinige Anbieter von EUV-Steppern, die Merkmale der 3-nm-Klasse drucken können. Jede Einheit ragt wie ein Bus empor, enthält mehr als hunderttausend Teile und kostet in der Größenordnung von dreihundert Millionen Dollar. Eine moderne Spitzenfabrik? Rechnen Sie mit Preisschildern in den zweistelligen Milliarden. Diese Zahlen haben die Branche umgeformt: ein Markt, der einst dutzende Siliziumhersteller beherbergte, hat sich auf eine Handvoll Giganten konzentriert.

Was passiert also, wenn man Transistoren nicht ewig kleiner machen kann? Man ändert die Regeln. Die Branche wandelt sich von monolithischen, für alle Zwecke geeigneten CPUs hin zu heterogenen Systemen und chipletbasierten Designs. Statt jede Funktion in ein einzelnes Die zu zwängen, das im selben Prozess gefertigt wurde, setzen Designer kleinere Kacheln zusammen, Chiplets, die in unterschiedlichen Prozessen hergestellt und dann mittels fortschrittlicher Packaging-Techniken integriert werden. Das ist pragmatisch. Es ist günstiger. Es ist flexibel.

Spezialisierte Beschleuniger haben ebenfalls an Bedeutung gewonnen. GPUs, neuronale Verarbeitungseinheiten und domänenspezifische Chips wie Googles TPUs oder Apples M-Series-Silizium zeigen, dass rohe Transistordichte nicht der einzige Weg zu Leistung ist. Wenn man die Mathematik an Hardware auslagert, die dafür gebaut ist, steigt die Effizienz stark. Photonik, also die Nutzung von Licht statt Elektronen für bestimmte Kommunikations- und Rechenaufgaben, gewinnt ebenfalls an Fahrt und verspricht einen geringeren Energieaufwand für Datenbewegung. Und am äußersten Rand des Möglichen bieten Quantencomputer ein radikal anderes Rechenmodell, nicht nur eine weitere Miniaturisierung bestehender Systeme.

Moores Gesetz ist nicht tot, es wurde auf schlauere Architekturen, neue Materialien und systemische Denkweisen umgelenkt.

Die Geschichte der Halbleiter hat sich von einer einzelnen Kennzahl, der Transistordichte, hin zu einem breiteren Portfolio von Abwägungen verschoben: Kosten pro Funktion, Energie pro Operation und die Fähigkeit, heterogene Bausteine zu kohärenten Systemen zusammenzufügen. Die Zukunft wird weniger von unerbittlichem Schrumpfen handeln und mehr von kluger Zusammensetzung: Chiplets und 3D-Stapeln, photonenbasierte Verbindungen, spezialisierte Beschleuniger und Software, die vielfältige Komponenten effizient orchestriert.

Ingenieure geben den Quanten-Grenzen nicht nach. Sie gestalten das Schlachtfeld neu. Wenn eine Tür der Physik sich schließt, durchbrechen sie die Wand, um ein Fenster zu schaffen. Das nächste Jahrzehnt wird anders aussehen als das letzte, aber kaum weniger erfinderisch, und vielleicht sogar interessanter.