Wie Glas das Mooresche Gesetz am Leben erhalten kann
Traditionelle Chips kommen an ihre physikalischen Grenzen, und die Halbleiterindustrie steht an einem Wendepunkt. Glas bereitet den Weg in die Zukunft.
Da die Skalierung von Silizium-basierten Chips an ihre physikalischen Grenzen stößt, wendet sich die Halbleiterindustrie Glas zu, um die nächste Ära der Innovation einzuläuten.
- Da das Mooresche Gesetz an Tempo verliert, verlagert sich der Fokus weg von der Transistorminiaturisierung hin zu modernem, hochintegriertem Chip-Packaging.
- Glas ermöglicht dank seiner strukturellen und elektrischen Vorteile eine dichtere, schnellere und effizientere Chipintegration.
- SCHOTT treibt diesen Wandel mit jahrzehntelanger Erfahrung in der Glaswissenschaft voran.
- Glass Core Substrates könnten die Zukunft von KI, Konnektivität und Alltagsgeräten prägen.
Im April 1965 veröffentlichte ein 36-jähriger Ingenieur namens Gordon Moore einen kurzen Artikel im Electronics Magazine, der die Zukunft der Computertechnik prägen sollte. Moore, damals Direktor für Forschung und Entwicklung bei Fairchild Semiconductor, machte eine verblüffende Vorhersage: Die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis würde sich alle zwei Jahre verdoppeln, was die Rechenleistung exponentiell erhöhen würde. "Integrierte Schaltkreise werden zu Wundern wie Heimcomputern führen", schrieb er und prognostizierte eine Welt voller intelligenter Geräte, digitaler Kommunikation und automatisierter Dinge.
Damals füllten die meisten Computer noch ganze Räume. Sie waren laut, teuer und erforderten Teams von Spezialisten, um zu funktionieren. Die Vorstellung, dass sie eines Tages in Uhren, Autos oder Taschen zu finden sein könnten, schien bestenfalls unglaubwürdig.
Doch das Mooresche Gesetz, wie seine Prognose später genannt wurde, erwies sich als erstaunlich treffsicher. Jahrzehntelang nutzte die Industrie immer kleinerer Transistorstrukturen – hauptsächlich aus Silizium und organischen Substraten –, um schnellere und leistungsfähigere Chips zu bauen. Dieser Trend war der Motor der digitalen Revolution und ermöglichte Smartphones, Cloud Computing und sogar den Aufstieg der künstlichen Intelligenz. Aber diese Ära neigt sich dem Ende zu.
Wo das Mooresche Gesetz auf die Gesetze der Physik trifft
"Heute nähern wir uns den molekularen Grenzen der Strukturgröße", erklärt Colin Schmucker, New Business Development Manager bei SCHOTT Semicon Glass Solutions. Eine fortschrittliche Chipherstellungstechnologie namens "High Numerical Aperture Extreme Ultraviolet Lithography" (oder "High-NA EUV") wird auf den Markt gebracht. High-NA EUV gilt weitgehend als nächster – und möglicherweise letzter – Schritt in der traditionellen Transistorskalierung und ermöglicht es Halbleiterherstellern, kleinere und präzisere Muster auf Siliziumwafer zu drucken.
Durch die Verwendung extrem kurzer Lichtwellenlängen (13,5 Nanometer) zur Erzeugung ultrakleiner Chipmerkmale verschiebt High-NA EUV im Wesentlichen die Grenzen dessen, wie winzig und komplex Transistoren sein können, bevor physikalische Einschränkungen eine weitere Miniaturisierung nahezu unmöglich machen.
"Irgendwann werden wir auf Quantentunnelprobleme stoßen, wenn wir die Transistoren weiter verkleinern", sagt Colin. "Daher wird künftig die Skalierung stärker vom Halbleitergehäuse abhängen als vom Halbleiterchip selbst."
Mit anderen Worten: Der Branche geht der Spielraum aus. Die atomaren Grenzen von Silizium-basierten Transistoren sind längst keine Theorie mehr. Und da die Nachfrage nach Rechenleistung – insbesondere von KI-Systemen – schneller denn je wächst, reicht es nicht mehr aus, einfach mehr Transistoren auf Siliziumchips zu pressen. Bleibt diese Herausforderung ungelöst, droht ein Innovationsstau – quer durch die Elektronikindustrie, Kommunikationsnetze, Medizintechnik und viele weitere Zukunftsfelder.
"Die Fortschritte in der Photolithographie haben Moores Gesetz zwar verlängert, mit kleineren Strukturgrößen gehen jedoch immer komplexere Anforderungen an das Chipdesign einher", sagt Colin. "Das Design der modernsten Halbleiter ist zu einem immer teureren Unterfangen geworden. Die Entwicklungs- und Tape-Out-Kosten belaufen sich jetzt auf Hunderte von Millionen Dollar."
Um dieses Problem anzugehen, haben die Ingenieure ihre Aufmerksamkeit vom Chip selbst auf sein breiteres Gehäuse verlagert – also die Struktur, die den Chip verbindet, mit Strom versorgt und schützt. "In den letzten zehn Jahren hat der Fokus auf fortschrittliche Gehäuse erheblich zugenommen, um diesen Anforderungen gerecht zu werden", erklärt Colin. Anstatt sich nur auf die Transistorgröße zu konzentrieren, befasst sich die nächste Generation von Innovationen damit, wie mehrere Chips effizienter zusammenarbeiten können.
"Die heterogene Integration älterer (billigerer) Halbleiter mit kleineren fortschrittlichen (teuren) Halbleitern ermöglicht ein insgesamt kostengünstigeres und recheneffizienteres Halbleitergerät", fügt er hinzu. "All dies geschieht auf Gehäuseebene – oft mit Chiplets, die die Funktion eines multifunktionalen Halbleiterchips mit der wirtschaftlichsten Technologie, die kombiniert werden kann, in separate Chips aufteilen."
Für diesen neuen Ansatz braucht es Materialien mit Eigenschaften, die herkömmliche Substrate nicht bieten können – und hier kommt Glas ins Spiel.
Deep Dive: Wie verbessern Materialeigenschaften die Leistung?
- Die Steifigkeit sorgt für mechanische Stabilität der ultrafeinen Verkabelung und Komponenten, die für Hochleistungsrechensysteme erforderlich sind. Dies hilft, empfindliche Kabel an Ort und Stelle zu halten, und gewährleistet eine schnelle, zuverlässige Leistung im mikroskopischen Maßstab.
- Die Strukturierbarkeit, also die Fähigkeit, Merkmale im Mikromaßstab zu erstellen, unterstützt dichte Verbindungen und ein effizientes Design, sodass Daten schneller und effizienter zwischen Chipkomponenten übertragen werden können.
- Die elektrische Isolierung ist entscheidend, um Signalstörungen zu vermeiden, die mit zunehmender Signalgeschwindigkeit immer wichtiger werden.
- Die Wärmeausdehnungskompatibilität stellt sicher, dass sich die Materialien im Chip-Package gleichzeitig ausdehnen und zusammenziehen. Das reduziert mechanische Spannungen und unterstützt so die Langlebigkeit des Halbleiters.
"Glas gilt als eines der wichtigsten Materialien für diese Fortschritte in der heterogenen Integration", sagt Colin. "Es bietet eine Reihe von Eigenschaften, die andere Materialien, die Verpackungsdesignern zur Verfügung stehen, nicht haben. Es ist zum Beispiel elektrisch isolierend, steif, extrem glatt und flach und lässt sich mit sehr feinen Strukturen versehen. Darüber hinaus können wir Eigenschaften wie den Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Elastizitätsmodul gezielt anpassen – in Bereichen, die für Halbleiter-Packaging besonders relevant sind."
Herkömmliche organische Substrate hingegen neigen unter denselben Bedingungen dazu, Signale zu verzerren, abzuschwächen oder zu stören, was sowohl die Geschwindigkeit als auch die Zuverlässigkeit von Hochleistungsrechensystemen einschränkt.
Man kann sich Computersysteme wie eine Stadt vorstellen: Jahrhunderte lang bewegte man sich auf holprigem Kopfsteinpflaster fort. Die unebene Oberfläche war bei Schrittgeschwindigkeit zu bewältigen. Doch mit dem Aufkommen von Autos, wurde die Fahrt ruppig, instabil und ineffizient. In diesem Sinne ist Glas wie Asphalt für Computer: glatt, eben und für Hochgeschwindigkeitsleistung ausgelegt. Je flacher die Oberfläche, desto schneller und zuverlässiger kann man sich darauf fortbewegen.
Wo passt Glas also in Halbleiterbauelemente? Colin erklärt: "Halbleiterchips, die auf Siliziumwafern hergestellt werden, müssen in ein 'Gehäuse' gepackt werden, dass Strom und elektrische Signale liefert und die Geräte schützt". Diese Gehäuse sind auf einem "Substrat" aufgebaut, das aus Schichten aus dem dielektrischen Polymer und Kupferdrähten besteht. Die Chips werden dann auf dem Substrat verbunden und in einem Gehäuse eingeschlossen.
"Glas kann dabei als stabile Verstärkung innerhalb dieser Lagen eingesetzt werden – als sogenannter Glaskern (Glass Core) ", fährt er fort. "Das Glas wird mit Schichten aus Polymer- und Kupferdrähten 'laminiert' und im Anschluss werden die Chips auf diese Schicht gelegt."
Genau deshalb gewinnt der Glass-Core-Ansatz aktuell an Bedeutung. Er erlaubt feinere Verdrahtungen und mehr Kontaktpunkte, ohne Einbußen bei der Signalintegrität, und verbessert zugleich das Wärmemanagement. Das ermöglicht kleinere, leistungsfähigere und energieeffizientere Chipdesigns. Große Akteure der Halbleiterbranche investieren bereits intensiv in diese Technologie – und die kommerzielle Anwendung dürfte noch vor Ende des Jahrzehnts spürbar an Fahrt aufnehmen.
Der Wettlauf um Halbleiterlösungen
Während sich die Branche auf den nächsten Technologiesprung vorbereitet, bemühen sich die Zulieferer, die Materialien und das Fertigungs-Know-how bereitzustellen, die für die Skalierung erforderlich sind. "Wir nutzen unser Know-how im Spezialglasbereich, unserer Glasstrukturierung und unserer skalierbaren Fertigung, um den sich ändernden Anforderungen der Halbleiterindustrie gerecht zu werden", sagt Dr. Christian Leirer, VP of Semicon Glass Solutions bei SCHOTT. "Unsere Fähigkeit, gleichbleibend hohe Qualität mit außergewöhnlicher Oberflächenglätte und Dimensionsstabilität für Glass Core Substrates zu fertigen, ist unübertroffen – und gibt Designern die Freiheit, fortschrittliche Chiparchitekturen ohne Kompromisse zu realisieren."
Es geht nicht nur darum, Glas zu produzieren – es geht darum, das richtige Glas mit den passenden Eigenschaften und den optimalen Abmessungen herzustellen. Als Schlüsselmaterial für neue Packaging-Architekturen könnte Glas eine zentrale Rolle für zukünftige KI-Anwendungen und andere wegweisende Technologien spielen.
"Glas kann fortschrittliche Verpackungslösungen ermöglichen, die dazu beitragen werden, künftige Generationen bahnbrechender KI-Modelle zu skalieren, unsere globale Kommunikationsinfrastruktur zu transformieren und den Geist des Mooreschen Gesetzes in eine neue Ära der Computerinnovation zu tragen", sagt Colin.
Tatsächlich sah Gordon Moore diese Entwicklung schon 1965 voraus. Wenn man sich den schicksalhaften Artikel genauer ansieht, in dem das Mooresche Gesetz geboren wurde, wird man feststellen, dass der junge Ingenieur tatsächlich vorausgesehen hat, dass es sich mit zunehmender Komplexität der Systeme als wirtschaftlicher erweisen könnte, "große Systeme aus kleineren Funktionen zu bauen, die separat verpackt und miteinander verbunden sind".
Es ist eine beeindruckende Vision, die nun in Form von Chiplet-basierten, heterogenen Integrationsstrategien Gestalt annimmt. Mithilfe stabiler Glass Core Substrates können solche modularen Architekturen effizienter umgesetzt werden, ohne sich allein auf die Miniaturisierung von Transistoren zu verlassen.
Mit Glas, das diesen Sprung möglich macht, setzt sich Moores Vermächtnis fort – nicht als Erinnerung, sondern als Blaupause für das, was als nächstes kommt.
