Computerprozessoren sind Wiederholungstäter: immer und immer wieder greifen sie für ihre Berechnungen auf dieselben Daten zurück. Um diese Transaktionen zu beschleunigen, ersannen Entwickler besondere Zwischenspeicher, in denen die Daten zeitweise abgelegt werden. Der Trick: die aufwändig gefertigten Speicherzellen erlauben einen viel schnelleren Zugriff als der erheblich trägere Hauptspeicher des RAM. Im Zuge der Entwicklung schrumpften die Transistoren dieses so genannten Cache-Speichers, bis dieser schließlich im Prozessor selbst integriert werden konnte. Seither tragen immer größere Caches einen beachtlichen Anteil an der fortlaufenden Beschleunigung der Computerprozessoren. Allerdings wurde es zuletzt immer schwieriger, die Gedächtniszellen des Cache - das so genannte SRAM - noch weiter zu verkleinern. Für einen Paukenschlag im Vorfeld der Fachtagung "International Electron Devices Meeting", die am 13 Dezember in San Francisco beginnt, sorgte IBM. Denn dem Unternehmen sei es gelungen, die Strukturen nochmals auf die Hälfte der bis dahin entwickelten Prototypen zu drücken.
"Derzeit ist eine SRAM-Speicherzelle in herkömmlicher Fertigung ungefähr einen Quadratmikrometer groß. Sie besteht dabei aus sechs Schaltern. Die jetzt entwickelte Zelle ist etwa um den Faktor sechs bis sieben kleiner als jene in aktuellen Prozessoren", erklärt Ingo Aller, Abteilungsleiter der Prozessorentwicklung bei IBM in Böblingen. Zum Vergleich: auf der Spitze eines einzigen Haares ließen sich allein 50.000 dieser winzigen Speichereinheiten unterbringen. Das Problem der Miniaturisierung ist, dass die Auflösung der Lithographieverfahren physikalisch begrenzt ist: eigentlich kann nichts abgebildet werden, das wesentlich kleiner ist als die verwendete Wellenlänge. Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen durch Kombination von Foto- und Elektronenstrahllithographie. Dazu Aller: "Und aus diesem Grund hat man bei diesem Durchbruch Elektronenstrahl-Lithographie benutzt. Elektronenstrahlen haben eine sehr kurze Wellenlänge, mit der sich sehr feine Strukturen abbilden lassen. Das wird unter anderem auch benutzt, um Masken für die Herstellung von Chips herzustellen." Die große Herausforderung besteht darin, die Elektronenstrahlbelichtung mit den anderen Abläufen der Prozessorfertigung zu kombinieren. Denn schließlich werden der Prozessor und der Cache auf den Chips zusammen produziert, während die Speicherzellen im Labor isoliert hergestellt wurden. Zwar stellt die Integration der verkleinerten SRAMs nur einen einzigen weiteren Schritt dar, doch noch ist unklar, ob sich die neuartige Belichtung mit den restlichen Schritten verträgt. Denn viele Probleme in der Chipfertigung rühren von derartigen Interaktionen einzelner Produktionsschritte, wenn ein neues Verfahren umgesetzt wird.
Ingo Aller geht daher davon aus, dass Prozessoren mit IBMs Mini-SRAMs frühestens in fünf bis sechs Jahren auf den Markt kommen werden. Dann aber dürfen sich die Anwender auf vermutlich 50 bis 100 Megabyte Cache freuen. Zum Vergleich: heutige Prozessoren tragen - je nach Typ - gerade zwischen 512 Kilobyte und zwei Megabyte. Doch die Speicherexplosion auf dem Chip soll damit noch nicht am Ende sein. Entwickler hoffen, mit der neuen Technologie sogar in den Gigabytebereich vordringen zu können. Überdies soll die Methode auf so genannte Logikbausteine übertragen werden. Das aber dürfte noch einige Anstrengungen erfordern, denn dieser Chiptypus ist hochkomplex konstruiert. Und weil auch die Wellenlänge von Elektronenstrahlen begrenzt ist, scheint die Grenze der Miniaturisierung zumindest mittelfristig in Reichweite. Daher suchen Forscher auch auf anderen Gebieten nach Möglichkeiten, alle Potenziale zu einer Verkleinerung der Elektronik auszuschöpfen. Ein weites Feld dabei ist der Einsatz neuer Baustoffe. Auch hier hat IBM die Nase vorn: in San Francisco wollen Big Blues Ingenieure ein Material vorstellen, bei dem so genanntes "verspanntes" Germanium eingesetzt wird. Das Element leitet Elektronen besser als der klassische Halbleiter Silizium, andererseits ist es aber auch schwerer zu verarbeiten. Doch die Mühe scheint zu fruchten, berichtet Aller. Denn es sei gelungen, in die Transistorenkanäle eine Germaniumschicht einzubringen und damit eine höhere Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. Prozessoren auf dieser Basis könnten um den Faktor 3 schneller als heutige Modellen arbeiten. Doch auch diese Innovation werde, so der IBM-Experte, frühestens in sechs Jahren auf den Markt kommen können.
[Quelle: Silke Thole]
"Derzeit ist eine SRAM-Speicherzelle in herkömmlicher Fertigung ungefähr einen Quadratmikrometer groß. Sie besteht dabei aus sechs Schaltern. Die jetzt entwickelte Zelle ist etwa um den Faktor sechs bis sieben kleiner als jene in aktuellen Prozessoren", erklärt Ingo Aller, Abteilungsleiter der Prozessorentwicklung bei IBM in Böblingen. Zum Vergleich: auf der Spitze eines einzigen Haares ließen sich allein 50.000 dieser winzigen Speichereinheiten unterbringen. Das Problem der Miniaturisierung ist, dass die Auflösung der Lithographieverfahren physikalisch begrenzt ist: eigentlich kann nichts abgebildet werden, das wesentlich kleiner ist als die verwendete Wellenlänge. Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen durch Kombination von Foto- und Elektronenstrahllithographie. Dazu Aller: "Und aus diesem Grund hat man bei diesem Durchbruch Elektronenstrahl-Lithographie benutzt. Elektronenstrahlen haben eine sehr kurze Wellenlänge, mit der sich sehr feine Strukturen abbilden lassen. Das wird unter anderem auch benutzt, um Masken für die Herstellung von Chips herzustellen." Die große Herausforderung besteht darin, die Elektronenstrahlbelichtung mit den anderen Abläufen der Prozessorfertigung zu kombinieren. Denn schließlich werden der Prozessor und der Cache auf den Chips zusammen produziert, während die Speicherzellen im Labor isoliert hergestellt wurden. Zwar stellt die Integration der verkleinerten SRAMs nur einen einzigen weiteren Schritt dar, doch noch ist unklar, ob sich die neuartige Belichtung mit den restlichen Schritten verträgt. Denn viele Probleme in der Chipfertigung rühren von derartigen Interaktionen einzelner Produktionsschritte, wenn ein neues Verfahren umgesetzt wird.
Ingo Aller geht daher davon aus, dass Prozessoren mit IBMs Mini-SRAMs frühestens in fünf bis sechs Jahren auf den Markt kommen werden. Dann aber dürfen sich die Anwender auf vermutlich 50 bis 100 Megabyte Cache freuen. Zum Vergleich: heutige Prozessoren tragen - je nach Typ - gerade zwischen 512 Kilobyte und zwei Megabyte. Doch die Speicherexplosion auf dem Chip soll damit noch nicht am Ende sein. Entwickler hoffen, mit der neuen Technologie sogar in den Gigabytebereich vordringen zu können. Überdies soll die Methode auf so genannte Logikbausteine übertragen werden. Das aber dürfte noch einige Anstrengungen erfordern, denn dieser Chiptypus ist hochkomplex konstruiert. Und weil auch die Wellenlänge von Elektronenstrahlen begrenzt ist, scheint die Grenze der Miniaturisierung zumindest mittelfristig in Reichweite. Daher suchen Forscher auch auf anderen Gebieten nach Möglichkeiten, alle Potenziale zu einer Verkleinerung der Elektronik auszuschöpfen. Ein weites Feld dabei ist der Einsatz neuer Baustoffe. Auch hier hat IBM die Nase vorn: in San Francisco wollen Big Blues Ingenieure ein Material vorstellen, bei dem so genanntes "verspanntes" Germanium eingesetzt wird. Das Element leitet Elektronen besser als der klassische Halbleiter Silizium, andererseits ist es aber auch schwerer zu verarbeiten. Doch die Mühe scheint zu fruchten, berichtet Aller. Denn es sei gelungen, in die Transistorenkanäle eine Germaniumschicht einzubringen und damit eine höhere Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. Prozessoren auf dieser Basis könnten um den Faktor 3 schneller als heutige Modellen arbeiten. Doch auch diese Innovation werde, so der IBM-Experte, frühestens in sechs Jahren auf den Markt kommen können.
[Quelle: Silke Thole]