Wenn Strukturen einmal die Größe weniger Atome erreichen, sind auch in der Halbleiterproduktion Grenzen erreicht. "Die größte Veränderung für Computerchips seit vierzig Jahren" nannte Intel daher sein Ende Jänner präsentiertes neues Design, das sich anstelle von Siliziumdioxid als Isolator auf eine neue Substanz verlässt. Moores Law - die Verdoppelung der Transistoren auf einem Chip im Zweijahrestakt - ist damit wieder zurück im Rennen.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt beim Element Hafnium, einem äußerst korrosionsbeständigen Metall, das unter anderem für die Produktion von Kontrollstäben in Atomreaktoren verwendet wird. Als Isolator in den Transistoren zeigt sich eine Hafnium-Mischung elektrisch effizienter als das bisher genutzte Siliziumdioxid: Der geringere Energieverlust durch Leckströme ermöglicht es nach Angaben von Intel die Performance der Transistoren um 20 Prozent zu verbessern.

"Dies erlaubt es, das evolutionäre Wachstum, wie wir es nach Moore bisher gesehen haben, weiterhin aufrecht zu erhalten und zu verbessern", verdeutlicht Stephen Fischer, Principle Architect für den Penryn-Prozessor, so der Codename der neuen Kernarchitektur.

Frische Rezeptur

Mit der Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit steigt nicht nur die Performance eines Chips. Mehr Prozessoren auf einem Wafer untergebracht, bedeuten eine kostengünstigere Produktion. Und die Wirtschaftlichkeit greift noch tiefer: Weil am Halbleiter alles näher beisammen liegt und kleiner ist, wird weniger Strom verbraucht, was wiederum Leckströme und damit die Hitzeentwicklung reduziert.

Doch die Miniaturisierung hat ihre Grenzen: Während das so genannte Gate den Transistor ein- und ausschaltet, kümmert sich der darunter liegende Isolator um die "Abdichtung" des stromführenden Kanals. Um Transistoren allerdings mehr Performance abzuringen, wurde der Isolator zunehmend ausgedünnt, was dazu führte, dass bei der aktuellen 65-Nanometer-Prozesstechnik die Schutzschicht nur noch 1,2 Nanometer (nm) und damit gerade einmal fünf Atomlagen "dick" ist.

Hier sollen nun Hafnium-Isolierschichten ansetzen. Diese sind besonders undurchlässig und ermöglichen so eine weitere Verkleinerung beim Prozessordesign. Die Bahnen auf einem Chip lassen sich daher künftig in einer Auflösung von 45nm bedrucken. Zwar ist der neue Isolator etwas dicker, doch er reduziert die Leckströme im Vergleich zum Siliziumdioxid auf weniger als ein Zehntel. Dies erhöht die Energieeffizienz des Halbleiters deutlich - eine Eigenschaft, die sich etwa in Notebook-Prozessoren gut verwerten lässt.

"Wir bringen damit auf der Fläche einer Blutzelle 400 Transistoren unter", verdeutlicht Kelin Kuhn, 45nm Device Group Leader, die Maßstäbe. Weil Hafnium eine andere Arbeitsumgebung als Silizium verlangt, arbeitet auch in der Transistor-Gate-Elektrode eine neuartige Metallmischung. Über deren Zusammensetzung hält sich Intel allerdings bedeckt.

Vorsprung und Verfolgung

Ihre Premiere feiern die Penryn-Kerne in der Chip-Generation des kommenden Jahres: Sowohl Intels Dual-Core-CPUs Wolfdale als auch die Yorkfield-Chips mit vier Kernen werden gemeinsam mit den Xeon Multi-Core-Prozessoren im 45-Nanometer-Verfahren gefertigt. Insgesamt sind an die 15 Chips geplant, fünf Modelle sind nach Angaben des Unternehmens bereits vorhanden.

Wenngleich Intel mit Penryn einen Zeitvorsprung gegenüber der Konkurrenz von zumindest einem Jahr ankündigte, steht der Chip-Riese mit seinem Griff zu neuen Materialien längst nicht alleine da. Nahezu zeitgleich teilte IBM mit, dass im Werk in East Fishkill ab 2008 ebenfalls im 45nm-Verfahren produziert werde. Basis ist auch bei Big Blue eine so genannte "high-k metal gate"-Technologie, die gemeinsam mit AMD, Sony und Toshiba entwickelt wurde.

Mit im Rennen ist auch Texas Instruments, das für Mitte 2008 ebenfalls einen 45nm-Prozess in Aussicht stellte.

AMD dürfte den Schritt erst gegen 2009 schaffen - und damit ein ganzes Jahr später als Rivale Intel. Dann allerdings will man mit dem Fusion-Chip Furore machen: Immerhin soll die Integration von CPU und Grafikrecheneinheit in einem Chip zu einem besonderen Leistungssprung verhelfen.