Mikrochip-Revolution: Wissenschaftler finden Weg, Transistoren auf unter 4 Nanometer zu schrumpfen

Die Welt der modernen Elektronik steht an der Schwelle zu einer neuen technologischen Grenze. Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) konnten mithilfe quantenmechanischer Modellierung die fundamentalen Grenzen der Transistorminiaturisierung bestimmen. Diese Entdeckung ermöglicht eine drastische Steigerung der Leistung von Smartphones, Servern und AI-Systemen. Dies berichtet Ixbt.com Nachrichten berichtet.

Transistoren sind winzige Ein-/Aus-Schalter, die den Stromfluss in Mikrokreisen steuern. Während die Industrie derzeit über den Übergang zu 2-Nanometer-Fertigungsprozessen spricht, bleiben die realen physikalischen Dimensionen der Transistoren oft über 10 Nanometern. Laut ixbt.com ist das Haupthindernis für eine weitere Verkleinerung der Quantentunneleffekt.

Der Quantentunneleffekt ist ein Phänomen, bei dem Elektronen durch Energiebarrieren „tunneln“, die nach den Gesetzen der klassischen Physik unüberwindbar sind. Dies führt zu Leckströmen und dem Verlust der Transistorkontrolle. Infolgedessen arbeitet das Gerät instabil. KAIST-Wissenschaftler führten Berechnungen auf Atomebene durch, um genau dieses Problem zu beheben.

Quantenmechanik und neue Materialien

Das Team unter der Leitung von Professor Yon-Hoon Kim nutzte eine spezielle Methode namens MS-DFT (multi-space constrained-search density functional theory). Diese Methode ermöglicht die Modellierung nicht nur von Materialien, sondern ganzer elektronischer Bauteile, einschließlich komplexer Metall-Halbleiter-Grenzflächen. Als Hauptmaterial wurde Molybdändisulfid (MoS2) mit einer Dicke von einem Atom gewählt.

Digitale Experimente zeigten, dass die Leckrate der Elektronen nicht nur vom Kanalmaterial, sondern auch von der Metallwahl und der Kontaktgeometrie abhängt. Dies bedeutet, dass die Grenzen der Miniaturisierung nicht starr sind, sondern durch technische Lösungen erweitert werden können.

Nach den Schlussfolgerungen der Wissenschaftler kann die kritische Länge, bei der der Quantentunneleffekt die Transistorfunktion stört, auf unter 4 Nanometer gesenkt werden. Dies geht weit über die aktuellen technologischen Erwartungen hinaus. Um dieses Ergebnis zu erzielen, wird eine Strategie zur Kombination von zweidimensionalen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften vorgeschlagen.

Wie werden die Prozessoren der Zukunft aussehen?

Diese Entdeckung wird die Energieeffizienz von Chips, die von Giganten wie Apple, NVIDIA oder Intel hergestellt werden, auf eine neue Stufe heben. Je kleiner die Transistoren sind, desto mehr Elemente können auf einem Chip platziert werden und desto geringer ist der Stromverbrauch.

Die von den Autoren der Studie vorgeschlagene neue Designstrategie verspricht folgende Vorteile:

• Erhebliche Senkung des Energieverbrauchs;
• Mehrfache Steigerung der Rechengeschwindigkeit;
• Bändigung der Wärmeentwicklung im Chip;
• Schaffung extrem leistungsstarker Prozessoren für AI-Algorithmen.

Zusammenfassend beweist die Arbeit der KAIST-Wissenschaftler, dass das „Mooresche Gesetz“ in der Halbleiterindustrie noch nicht seine Gültigkeit verloren hat und neue Horizonte für den technologischen Fortschritt existieren. Nun gilt es, diese theoretischen Modelle in den realen Produktionsprozess zu übertragen.