Wie klein sind die Transistoren auf dem Chip?

In den fortschrittlichsten Chips sind Transistoren so klein wie Viren, dh etwa 50-100 Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). In diesem Artikel werden wir sehen, wie sich die Größe von Transistoren von der Erfindung der integrierten Schaltung (IC) im Jahr 1959 bis heute entwickelt hat.


Moores Gesetz, eine sich selbst erfüllende Prophezeiung



1965 veröffentlichte Intel-Gründer Gordon Moore einen berühmten Artikel, der im Laufe der Jahre zu einer Prophezeiung wurde: Alle zwei Jahre verdoppelt sich die Anzahl der in einem Chip integrierten Transistoren. Dieser Artikel ist ein wahres Juwel in der Geschichte der Elektronik und wahrscheinlich einer der einflussreichsten für die spätere Entwicklung dieses Wissenschafts- und Technologiezweigs. Das Bild unten zeigt Moore in seinem berühmten Artikel.


Dieses Wachstum in der Mathematik hat einen Namen: das Exponentialgesetz. Seitdem folgt die Zunahme der Anzahl von Transistoren in einem IC oder Chip (dies sind zwei gebräuchliche Bezeichnungen) diesem Trend, der in der Elektronikwelt als Moore's Law bekannt ist.




Diese Vorhersage ist für die Mikroelektronikindustrie zu einer „sich selbst erfüllenden Prophezeiung“ geworden, und die Hersteller bestehen darauf, sie Jahr für Jahr zu erfüllen. Natürlich geht es nicht nur darum, Vorhersagen zu erfüllen, sondern darum, die Vorteile von Trends zu suchen (und zu entdecken), die eine fast „heilige Mission“ für die Branche haben. Wenn Sie Moores Artikel lesen, werden Sie erstaunt sein, dass die Vorhersagen, die er darin gemacht hat, sich nicht nur bewahrheitet haben, sondern seit einem halben Jahrhundert Jahr für Jahr. In keinem anderen Industriesektor ist es einfach, eine vorhersehbare „Verfolgungsjagd“ wie diese zu finden.




Infolgedessen haben ICs in den folgenden Jahren seit ihrer Einführung in den späten 1950er Jahren ein beispielloses Wachstum erlebt, das ursprünglich durch das US-Raumfahrtprogramm und die Militärindustrie vorangetrieben wurde. Es werden immer mehr Transistoren hergestellt. Hatte der erste IC Dutzende von Transistoren integriert, sind einige Jahre später Tausende von ICs auf dem Markt und heute Milliarden von Transistor-ICs.



Die Anzahl der Transistoren in einem IC kann aufgrund der enormen Entwicklung seines Herstellungsprozesses erheblich zunehmen. Die Mikroelektronik verwendet ein Verfahren, das teilweise an die Massenproduktion von Automobilen erinnert, um auf einem einzigen Silizium-Halbleiterwafer gleichzeitig eine große Anzahl identischer vollständiger Schaltungen zu replizieren. Der Prozess umfasst im Wesentlichen das Drucken mehrerer geometrischer Muster auf die Siliziumoberfläche, wodurch jedes Gerät, aus dem es besteht, definiert werden kann, und das anschließende selektive Abscheiden verschiedener isolierender und leitfähiger Materialien, um die verschiedenen Komponenten ordnungsgemäß miteinander zu verbinden. All dies ist dank der eigentlichen Engpasstechnologie in der IC-Fertigung möglich: der Lithografie.




Was bedeutet Moores Gesetz wirklich?



Um die Implikationen von Moores Gesetz besser zu verstehen, stellen Sie sich vor, der Leser würde in der Zeit zurückgehen. Seien Sie bis 1971 bereit, eine Oper in einem Auditorium mit 2.300 Plätzen zu hören, mit genau der gleichen Anzahl von Transistoren wie der 4004, der erste Mikroprozessor, den Intel in diesem Jahr baute. Wenn die Kapazität des Auditoriums dem Moore'schen Gesetz folgte, aber den Raum, den es einnahm und 1982 restaurierte, nicht verändert hätte, hätten sich 134.000 Menschen am selben Ort versammelt – die Kapazität eines großen Fußballfeldes und die Kapazität eines Intel 286-Prozessors. Jahre später, im Jahr 2000, hätte das Auditorium die gesamte Bevölkerung Tokios fassen können – 37 Millionen Menschen, die gleiche Anzahl von Transistoren in der neuesten Version von Intels Pentium III-Prozessor –; wenn die Audition 2011 stattgefunden hätte, hätte sie es getan traf 1,3 Milliarden Menschen – die gesamte Bevölkerung Chinas oder die Anzahl der Transistoren in einer der Core i7-Prozessorversionen von Intel – ein Publikum von 7,4 Milliarden Menschen oder die gesamte Bevölkerung des Planeten, wenn sie 2019 teilnehmen – und baute in den IBM z13 Die Anzahl der Transistoren im Speichercontroller. Wenn diese Audition im Jahr 2021 stattfinden würde, würde die Kapazität schließlich zwei Globen entsprechen, da sie 15 Milliarden Menschen versammeln müsste, die Transistorzahl des Bionic A 15-Prozessors (mit dem neuen iPhone 13). Wie nachfolgend dargestellt. Die Bevölkerung des gesamten Planeten - und die Anzahl der im IBM z13-Speichercontroller verbauten Transistoren. Wenn diese Audition im Jahr 2021 stattfinden würde, würde die Kapazität schließlich zwei Globen entsprechen, da sie 15 Milliarden Menschen versammeln müsste, die Transistorzahl des Bionic A 15-Prozessors (mit dem neuen iPhone 13). Wie nachfolgend dargestellt. Die Bevölkerung des gesamten Planeten - und die Anzahl der im IBM z13-Speichercontroller verbauten Transistoren. Wenn diese Audition im Jahr 2021 stattfinden würde, würde die Kapazität schließlich zwei Globen entsprechen, da sie 15 Milliarden Menschen versammeln müsste, die Transistorzahl des Bionic A 15-Prozessors (mit dem neuen iPhone 13).


Genau genommen hat sich auch die Chipfläche über die Jahre etwas vergrößert, allerdings in einem deutlich geringeren Anteil. Beispielsweise belegt der Intel 4004 12 mm² (3 mm x 4 mm), während der Bionic A 15 eine Oberfläche von 107,7 mm² (8,58 mm x 12,55 mm) hat, also wird das Transistorverhältnis mit 6870.000 multipliziert, und die Fläche beträgt 9 .




Transistoren müssen immer kleiner werden



Die Integration von immer mehr Transistoren auf einem Chip bedeutet eine Reduzierung seiner Größe, was Vorteile auf Kosten einer zunehmenden Komplexität des Herstellungsprozesses bringt. Je kleiner der Transistor, desto kleiner der Chip selbst und desto mehr Chips passen auf einen Wafer. Gleichzeitig bleiben die Kosten für die Verarbeitung von Wafern ungefähr gleich, unabhängig davon, wie viele Chips aus jedem Wafer erhalten werden können. Das bedeutet, dass eine Verringerung der Größe der Transistoren zu billigeren Chips führt. Alternativ kann der Chip gleich groß bleiben, sodass sich mehr Komponenten darin befinden. Das macht es leistungsfähiger, aber nicht teuer. Am wichtigsten ist, dass die Verringerung der Größe eines Transistors seine Leistung verbessern kann, ohne den Stromverbrauch zu erhöhen. Allerdings haben Chiphersteller einen starken Anreiz, die Größe von Transistoren zu reduzieren. Genau das haben sie in den letzten Jahrzehnten getan, als die Anzahl der Transistoren auf einem Chip von Tausenden auf Milliarden gestiegen ist. Dies ist eine sehr kleine Größe für einen Transistor. Das folgende Diagramm zeigt einen solchen Transistor.


Um zu verstehen, was diese kleine Größe bedeutet, stellen Sie sich vor, wir erweitern die Größe des Chips, der Transistoren integriert, bis er der Fläche entspricht, die von der Gemeinde Madrid besetzt ist (8.000 Quadratkilometer). Bei dieser Größenordnung belegt jeder Transistor eine Fläche. 5 Quadratmeter, was der Bildschirmfläche eines Fernsehers mit 40 Zoll Durchmesser entspricht.




abschließend



Mark Lundstrom, Professor an der Purdue University, der in den 1970er Jahren in der Chipindustrie zu arbeiten begann, schrieb 2003 einen Artikel für Science, in dem er voraussagte, dass das Mooresche Gesetz 2015 seine physikalische Grenze erreichen würde. Lundstrom sagte, dass er in seiner Karriere viele Male dachte: „Nun, es ist vorbei.“ Er erinnert sich an die Teilnahme an seiner ersten Chipherstellungskonferenz im Jahr 1975. In seinen Worten: „Es gab einen Typen namens Gordon Moore, der einen Vortrag hielt. Er war berühmt in der Tech-Welt, aber niemand wusste, wer er war, und ich erinnere mich an seinen Vortrag.“ Bald könnten wir in 10.000 Transistoren platziert werden auf dem Chip. Was kann man mit 10.000 Transistoren auf einem Chip machen? "




Heute sind 15 Milliarden Transistoren auf dem Markt. Was können Ihre Designer und Hersteller damit anfangen?