IMEC-Fellow kommentieren das mooresche Gesetz - Teil 3 Prof. Dr. Francky Catthoor »Design-Techniken können das Leben ­des mooreschen Gesetzes verlängern«

Moore´s Gesetz
Moore´s Gesetz

Im dritten Teil der Serie sieht Prof. Dr. Francky Catthoor die Grenzen der Miniaturisierung nahe. Nur wenn es gelingt, den Entwurfprozess stärker als bisher durch Innovationen weiterzuentwickeln, könne der technische Fortschritt dem Gesetz von Gordon Moore noch für einige Zeit folgen.

Das mooresche Gesetz besagt bekanntlich, dass elektronische Produkte sich im Lauf der Zeit immer billiger, schneller und wirtschaftlicher fertigen lassen. Bis herab zu 45 nm sorgte dafür die kontinuierlich fortschreitende Technik, mit der sich die Größe der Transistoren fortlaufend reduzieren ließ. Jetzt wird die Sache schwieriger. Doch auch wenn wir in Zukunft diesen Fortschritt nicht mehr durch Skalieren der Transistoren, also als Ergebnis der technischen Entwicklung, erreichen können, ist das mooresche Gesetz noch lange nicht am Ende. Dank neuer, erfinderischer Entwicklungsverfahren können wir die Probleme der Skalierung noch über lange Zeit in den Griff bekommen. Stellen Sie sich vor, dass es am 7-nm-Knoten mit der Standard-Technik nicht mehr möglich wäre, Fortschritte in der Energieeinsparung zu erzielen. Mit den richtigen Entwurfsmethoden ließe sich das größtenteils kompensieren.

Deshalb werden Innovationen im Entwurfprozess zunehmend wichtiger für das weitere Skalieren der Transistoren. Vor 15 Jahren, als Spezialist für System-Entwicklung, musste ich mich mit der Transistor-Technik überhaupt nicht befassen. Heute hat sich diese Situation dramatisch gewandelt.

Entwickler und Technologen arbeiten immer enger zusammen, um die zukünftigen Knoten der Halbleiterstrukturen zu realisieren, sodass sich zuverlässige Produkte wirtschaftlich fertigen lassen. Und das gilt nicht nur für Logikschaltungen. Man kann die neuen Entwurfsmethoden auch für Speicher verwenden, um deren Schreibverhalten und Datenerhalt zu verbessern, indem man nicht immer auf dieselbe Speicherzelle zugreift. Sicher, es tut sich schon heute eine Menge auf dem Gebiet der Entwurfsverfahren. Doch die Intensität dieser Arbeit muss in Zukunft noch weiter steigen. Das mooresche Gesetz wird vielleicht langsamer voranschreiten. Aber es wird sicher nicht zum Stillstand kommen.

Der Knoten bei 5 nm wird noch große Märkte erreichen und definieren. Diese Art von skalierbarer Technik ist besonders wichtig für Applikationen, die von der Logikdichte und der Rechenleistung getrieben werden, etwa von Servern. Die Leistungsaufnahme spielt in diesem Bereich noch nicht die entscheidende Rolle, obwohl sich auch das allmählich ändert. Doch bei eingebetteten Systemen, etwa in Sensoren, hat die Energieaufnahme bereits absolute Priorität. Darum sind die neuen Entwurfsverfahren von solcher Wichtigkeit.

Auch der 3-nm-Knoten dürfte vollständig realisiert werden, wenn auch wahrscheinlich ohne die heutigen Standard-MOSFETs. Für die Auslegung der Transistoren und Schaltungen müssen also neue Entwurfmethoden entwickelt und eingesetzt werden. Das bedingt auch signifikante Änderungen in den Architekturen. Nur auf den höheren System­ebenen sollte sich so wenig wie möglich ändern. Des Weiteren müssen wir absolut neuartige Entwurf-Paradigmen in Betracht ziehen: beispielsweise neuromorphe Schaltungen und Quantencomputer. Auch diese bieten in bestimmten Anwendungsfeldern neue Möglichkeiten – obwohl heute noch niemand weiß, ob sie auch in den relevanten Märkten mit den existierenden Techniken konkurrieren können.

Wir sollten also die aktuellen Probleme der Miniaturisierung keinesfalls als Bedrohung sehen. Sondern eher als gute Gelegenheit für neue Entwicklungen. Die Halbleiterforschung und die Halbleiterindustrie haben noch einen langen Weg vor sich.

 

Der Autor


Prof. Dr. Francky Catthoor
machte 1982 seinen Abschluss als Elektroingenieur und promovierte 1987 in Elektrotechnik an der Katholieke Universiteit (KU) Leuven, Belgien. Von 1987 bis 2000 leitete er bei IMEC im belgischen Heverlee verschiedene Forschungsbereiche für Systemsynthese und Architektur-Methoden. 1986 wurde Catthoor mit dem Young Scientist Award des Marconi International Fellowship Council ausgezeichnet. 2005 wurde er zum IEEE-Fellow ernannt. Er ist IMEC-Fellow und hat eine volle Professorenstelle an der KU, Fachbereich Elektrotechnik. Als Redakteur arbeitet er an mehreren IEEE- und ACM-Publikationen mit.