Halbleiter-Zukunftsmusik: IBMs und Samsungs VTFET dezimiert Leistungsaufnahme
Eine neue Transistorbauart, VTFET genannt, soll die Leistungsaufnahme von Prozessoren um 85 Prozent senken oder die Performance verdoppeln.
(Bild: IBM / Samsung)
IBM und Samsung haben gemeinsam ein neues Transistordesign vorgestellt, das in einigen Jahren die elektrische Charakteristik von Prozessoren, Grafikchips und anderen Halbleiterbauelementen erheblich verbessern könnte. Der sogenannte Vertical-Transport (Nanosheet) Field Effect Transistor, kurz VTFET, leitet Ströme nicht mehr seitlich durch ein Schaltelement, sondern vertikal.
Laut Ankündigung hebelt die Herangehensweise des VTFET Limitierungen der Feldeffektransistoren (FET) mit finnenförmiger Gate-Elektrode (FinFET) aus, die Samsung, TSMC und Intel alle bei ihren aktuellen Fertigungsprozessen einsetzen. Elektrostatische Eigenschaften wie parasitäre Leckströme begrenzen bisher maßgeblich die Größe eines Transistors und erfordern Dummy-Schaltungen für hohe Taktfrequenzen.
IBM und Samsung simulieren FinFET- und VTFET-Designs mit einem übereinstimmenden Gate-Pitch von weniger als 45 Nanometern – was noch aggressiver ist als bei den besten 5-nm-Prozessen. Im direkten Vergleich – also ohne Vorteil bei der Prozesstechnik – soll der VTFET bei gleicher Leistungsaufnahme doppelt so schnell schalten oder bei gleicher Performance 85 Prozent weniger elektrische Energie aufnehmen.
VTFETs vs. FinFETs (3 Bilder)
(Bild: IBM / Samsung)
Test-Wafer schon produziert
Da VTFETs Chipdesigns jedoch grundlegend auf den Kopf stellen und sich die Forschung in einer frühen Phase befindet, sind entsprechende Halbleiterbauelemente erst in einigen Jahren zu erwarten. Immerhin haben IBM und Samsung laut eigenen Aussagen bereits erste Test-Wafer gefertigt, die üblicherweise aus simpel aufgebauten Speicherzellen bestehen.
VTFETs bauen auf dem Nanosheet-Prinzip auf, wie IBM die eigene "Gate All-Around"-(GAA-)Technik nennt. Der leitende Kanal des Feldeffekttransistors ist bei GAA-FETs allseits von der Gate-Elektrode umgeben, was die Leistungscharakteristik verglichen mit FinFETs bereits verbessert. Der Vorteil durch VTFETs wird künftig also weniger dramatisch sein.
Zukunftsmusik
IBM und Samsung forschen schon seit Jahren zusammen an neuer Fertigungstechnik, die Samsung schließlich bei eigenen Prozessen verwendet. Die bisherigen Nanosheet-Prototypen etwa ließ IBM mit 2-nm-Strukturen fertigen – GAA-Technik will Samsung allerdings schon ab der 3-nm-Generation bestenfalls im Jahr 2022 einführen. VTFETs wären nach der 2-nm-Generation denkbar, also irgendwann ab etwa 2025. Intel forscht an der Alternative Nanoribbon samt 3D-Stacking.
Wenig überraschend kündigte IBM parallel an, für kommende Power-Prozessoren Samsungs 5-nm-Prozesstechnik zu verwenden. Die Power10-CPUs laufen bei Samsung mit 7-nm-Strukturen vom Band.
[Update, 15.12.21, 13:25 Uhr:] Korrektur: Im Schaubild ist der VTFET links zu sehen und der FinFET rechts. (mma)
