Intel forscht: Thermische Probleme bei Prozessoren ade?

Forscher von Intel entdecken neue Materialien als Ersatz für die Stoffe, die seit mehr als 30 Jahren bei der Herstellung von Chips verwendet werden. Im Rennen der Industrie die Leckströme bei Transistoren zu minimieren stellt diese Erfindung eine wichtige Neuerung dar.

Mit zunehmender Anzahl von Transistoren auf einer immer kleiner werden Siliziumfläche erwachsen Leckströme zu einem größeren Problem.

Intel Forscher fanden neue Materialien für das "Gate Dielektrikum" und "Transistor Gate" in Hochleistungs-Transistoren. Das Gate ist der Teil des Transistors, der bestimmt, ob der Transistor ein- oder ausgeschaltet ist und hier soll der neuartige Metallstoff zum Einsatz kommen. Das Gate Dielektrikum befindet sich als dünner Isolator unterhalb des Gates und wird nun aus high-k Material hergestellt. Die neuen Materialien tragen gemeinsam zur drastischen Reduzierung von Leckströmen bei. Diese wirken sich negativ auf die Wärmeentwicklung von Prozessoren und positiv auf die Batterielebensdauer von Geräten aus. Im Vergleich zu Siliziumdioxid, das während der vergangenen drei Jahrzehnte zum Einsatz kam, konnte Intel die Leckströme mit dem high-k Material um mehr als einen Faktor von 100 reduzieren.

Alle Transistoren verwenden einen Isolator, der als Gate Dielektrikum bezeichnet wird. In den vergangenen 30 Jahren setzte die Industrie das leicht herstellbare Siliziumdioxid als Material für diesen wichtigen Transistorbestandteil ein. Intel verkleinerte die Dicke des Siliziumdioxids als Gate Dielektrikum erfolgreich auf eine Dicke von 1,2 Nanometer - dies entspricht lediglich 5 Atomlagen. Mit dünnerer Siliziumdioxid-Schicht nehmen die elektrischen Leckströme, die durch das Gate-Dielektrikum fließen, zu. Als Folge entsteht mehr Abwärme. Zur Lösung dieser Probleme plant Intel den Austausch des Siliziumdioxids durch ein dickeres high-k Material im Gate-Dielektrikum, das Leckströme bedeutend reduziert.

Der zweite Teil der Lösung besteht in der Entwicklung eines Metall-Materials für das Gate zur besseren Verträglichkeit mit dem neuen high-k Gate Dielektrikum. Die Kombination aus dem high-k Gate Dielektrikum und dem Metall Gate führt zu einer drastischen Reduzierung der Leckströme bei gleichzeitig sehr hoher Transistor-Leistung. Die Transistorforschung tritt damit in eine neue Entwicklungsphase. Intel plant die neuen Materialien als Teil des unternehmenseigenen 45nm Herstellungsprozesses ab dem Jahr 2007 einzusetzen.

Bleibt nur die Frage, wie Intel die thermische Verlustleistung des Prescotts, so der Codename für den Prozessorkern, der den derzeitigen „Northwood“-Kern des Pentium 4 Ende des Jahres ablösen soll, in den Griff bekommen möchte. Derzeit soll dieser Gerüchten zufolge bei einer Taktfrequenz von 3,4 GHz eine Verlustleistung von über 100 Watt besitzen, welche in erster Linie in gestiegenen Leckströmen seine Ursache hat.

Details zur Entwicklung der neuen Transistormaterialien erörtert Intel heute in Tokyo auf dem "International Workshop on Gate Insulator". Intels Beitrag skizziert die Dringlichkeit neue Materialien zu entwickeln und zu integrieren, die Probleme wie Leckströme, Stromverbrauch und Hitzeentwicklung lösen.