Halbleiter-Revolution: Der kleinste Chip der Welt – und seine Folgen
Bild: tsmc
TSMC präsentiert den weltweit kleinsten Mikrochip. Der 2-Nanometer-Halbleiter soll bald in Serie gehen. Was der Durchbruch für uns bedeutet.
Der taiwanesische Chiphersteller TSMC hat unlängst den weltweit fortschrittlichsten Mikrochip vorgestellt – den 2-Nanometer-Chip (2nm). Laut TSMC soll die Massenproduktion in der zweiten Jahreshälfte starten und einen bedeutenden Fortschritt im Hinblick auf Leistung und Effizienz darstellen, wie die Website The Conversation berichtet. Der neue Chip basiert auf einem Halbleiter-Material, meist Silizium, das speziell für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen optimiert wurde.
Im Vergleich zum bisherigen 3-nm-Chip verspricht TSMC bei gleicher Leistungsaufnahme eine um zehn bis 15 Prozent höhere Rechengeschwindigkeit oder einen um 20 bis 30 Prozent reduzierten Stromverbrauch bei gleicher Geschwindigkeit.
Zudem wurde die Transistordichte um etwa 15 Prozent erhöht. Dies ermöglicht Geräten schneller und energieeffizienter zu arbeiten sowie komplexere Aufgaben zu bewältigen.
Die verbesserten elektrischen Eigenschaften des 2nm-Chips werden durch die gezielte Manipulation des Halbleitermaterials erreicht, indem es mit Fremdatomen wie Bor (p-dotierten) oder Phosphor (n-dotiert) versetzt wird, um sogenannte extrinsische Halbleiter zu erzeugen.
TSMC beliefert weltweit
TSMC fertigt Chips für namhafte Unternehmen wie Apple, Nvidia, AMD und Qualcomm. Die Eröffnung einer neuen Fabrik für 2nm-Chips in der südtaiwanischen Stadt Kaohsiung wird als Vertrauensbeweis in den lokalen Produktionsstandort gewertet, wie die Nachrichtenagentur Kyodo News berichtet.
Taiwans Premierminister Cho Jung-tai betonte bei der Eröffnungszeremonie, dass die Insel ihre Chip-Produktion und Forschungszentren behalten werde. Neben den klassischen anorganischen Halbleitern gewinnen auch organische Halbleiter zunehmend an Bedeutung für spezielle Anwendungen.
Bessere Leistung von Geräten
Für Endverbraucher könnten Smartphones, Laptops und Tablets mit 2nm-Chips von einer besseren Leistung und längeren Akkulaufzeit profitieren. Auch Sektoren wie autonome Fahrzeuge und Robotik könnten die erhöhte Verarbeitungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit nutzen.
Rechenzentren wiederum würden von einem geringeren Energieverbrauch und verbesserten Rechenleistungen profitieren. Die p-Dotierung erzeugt einen Überschuss an positiven Ladungsträgern (p-Halbleiter), während die n-Dotierung einen Überschuss an negativen Ladungsträgern (Elektronen) in den ursprünglich undotierten Halbleiter einbringt. Dadurch werden die Halbleiter entweder p-leitend oder n-leitend.
Produktionskosten steigen
Allerdings bringt die Herstellung von 2nm-Chips auch Herausforderungen mit sich. Die Produktionskosten steigen durch komplexe Verfahren wie die extrem-ultraviolette Lithografie (EUV). Außerdem wird das Wärmemanagement aufgrund der hohen Transistordichte zu einer kritischen Herausforderung. Ein Halbleiter liegt in seinen elektrischen Eigenschaften zwischen einem Leiter und einem Isolator.
An der Börse wird die TSMC-Aktie trotz der marktbeherrschenden Stellung bei der Fertigung von KI-Chips vergleichsweise niedrig oder unterbewertet, wie Börsenexperte Carsten Müller auf der Finanzwebsite Der Aktionär schreibt.
Unternehmen für KI-Boom unverzichtbar
Das Unternehmen sei für den gesamten KI-Boom unverzichtbar, werde aber eher wie ein reifes Industrieunternehmen angesehen. Mit den Quartalszahlen am 17. April und Aussagen zum 2nm-Prozess könnte eine Neubewertung anstehen. Die Dotierung ermöglicht es, die Bewegung der Ladungsträger, insbesondere der Elektronen, gezielt zu steuern.
Die Vorstellung des 2nm-Chips unterstreicht Taiwans führende Rolle bei Spitzentechnologien. TSMC investiert weiter in den Ausbau der lokalen Fertigung, plant aber auch Milliarden-Investitionen in den USA. Für Verbraucher weltweit dürften die 2nm-Chips in den kommenden Jahren zu leistungsfähigeren und energieeffizienteren Geräten führen und Innovationen in vielen Hightech-Bereichen ermöglichen.
Was sind Halbleiter eigentlich?
Halbleiter sind kristalline Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit durch ihre Bandlückenstruktur (EgEg) bestimmt wird – der energetische Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband.
Bei intrinsischen Materialien wie Silizium (Eg≈1,12 eVEg≈1,12 eV) entsteht Leitfähigkeit durch thermisch angeregte Elektronen, beschrieben durch die Fermi-Dirac-Statistik. Durch Dotierung mit Fremdatomen (z. B. Phosphor für n-Typ oder Bor für p-Typ) entstehen extrinsische Halbleiter, bei denen die Ladungsträgerdichte dem Massenwirkungsgesetz n⋅p=ni2n⋅p=ni2 folgt. Diese Steuerbarkeit ermöglicht p-n-Übergänge in Dioden und Transistoren, die Gleichrichtung und Signalverstärkung realisieren.
Die unterschiedlichen Arten
Direkte Halbleiter wie Galliumarsenid (GaAs) zeichnen sich durch effiziente Lichtemission aus, da Elektronen ohne Phononenbeteiligung rekombinieren – ideal für Laserdioden und LEDs. Im Gegensatz dazu dominieren indirekte Halbleiter wie Silizium die Mikroelektronik dank ihrer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit und Stabilität. Moderne Technologien nutzen Verbundmaterialien: Siliziumkarbid (SiC) reduziert Schaltverluste in Leistungselektronik, während Galliumnitrid (GaN) Hochfrequenzanwendungen ermöglicht.
Die Miniaturisierung nach Moore’schem Gesetz erreicht heute Strukturgrößen unter 5 nm, wo Quanteneffekte wie Tunneleffekte (Ψ(x)∼e−κxΨ(x)∼e−κx) neue Materialien wie Germanium-Nanodrähte erfordern.