Halbleiter 09.04.1999, 17:21 Uhr

Chiphersteller jonglieren mit einzelnen Atomen

Armin Wieder, Forschungschef der neuen Infineon Technologies AG (dem früheren Halbleiterbereich von Siemens) sprach mit den VDI nachrichten über seine Vorstellungen, wohin sich Technik und Anwendungen der Mikroelektronik entwickeln könnten.

Wieder: Unter Errungenschaften verstehe ich in erster Linie den Nutzen, den die Technik für unser Leben erzeugen kann. Ich sehe, daß wir bis zum Jahr 2010 mit Sicherheit sprachverstehende technische Systeme am Markt haben werden, die mit akzeptablen Fehlerquoten in Echtzeit gesprochene Sprache verstehen. Ebenfalls würde ich erwarten, daß bis zu diesem Zeitpunkt die Hardware- und Softwaresysteme in der Lage sein werden, in Echtzeit vernünftige Übersetzungen innerhalb der Weltsprachen zu generieren. Vielleicht ist allerdings zu diesem Thema noch eine „menschliche Überarbeitung“ bezüglich einer interaktiven „Sinnkontrolle“ notwendig.
Zweitens bin ich davon überzeugt, daß wir bis zum Jahr 2010 selbstlernende, elektronische Systeme haben werden, die sich an unsere Bedürfnisse anpassen. Wir werden also das klassische dreistufige System – bestehend aus Hardware, darauf ablaufendem Betriebssystem und darauf wiederum ablaufender Applikationssoftware – zunehmend ersetzen durch eigenständige elektronische Systeme. Nach einer Trainingsphase, in dem sie uns sozusagen über die Schulter schauen, werden sie sich immer mehr an unsere individuellen Bedürfnisse anpassen. Damit wird sich die Applikationssoftware in einer Art von Trainingssoftware wandeln. Sie wird in brauchbaren Zeiten diese Geräte für ihren Einsatz trainieren, so daß sie sich von dieser Initialisierung an selbständig weiter anpassen können. Letztlich sind damit m.E. bis zum Jahr 2010 elektronische Systeme möglich, die sich an den Menschen anpassen und die nicht mehr eine Anpassung des Menschen an die Technik erfordern.

VDI Nachrichten: Auf internationalen Konferenzen hört man zunehmend von „Molekular-Elektronik“ und „Designer-Molekülen“: Was hat es damit auf sich?

Wieder: Derzeitige Entwicklungen, z.B. für ein 4-Gigabit-DRAM, und weitergehende Forschungsaktivitäten, z.B. für 16- und 64-Gbit-DRAMs, erfordern Strukturgrößen von unter 100 nm, das entspricht etwa 200 Atomlagen. In der explorativen Forschung beschäftigen wir uns heute mit Transistoren, die im Grenzfall minimale Abmessungen von nur noch 20 nm haben, also ca. 40 Atomlagen dünn sein werden. In der gleichen Größenordnung liegen Molekülketten. Es ist deshalb naheliegend, Forschung zu betreiben und Moleküle so zu designen, daß sie entsprechende Halbleitereigenschaften besitzen, um dann gegebenenfalls die kristalline Elektronik mit Performance- und/oder Kostenvorteilen zu ersetzen.
Ein interessanter Vorläufer dieser Aktivitäten sind die „Plastiktransistoren“. Der Plastiktransistor besteht aus Polymermaterialien mit vergleichbaren Eigenschaften wie kristalline Halbleiter. Diese Materialien erlauben es schon heute, im Labormaßstab Transistorfunktionen zu realisieren. Diese makroskopischen Polymertransistoren haben typische Abmessungen von 200 bis 100 µm und können in einer extrem kostengünstigen Dünndrucktechnik hergestellt, also quasi gedruckt werden. Solche Transistoren zielen auf völlig andere Anwendungsgebiete als die heutige Mainstream-Mikroelektronik mit ihren hochkomplexen Schaltungen.

Transistoren aus Polymeren sitzen auf der Wäsche

Denken Sie nur an die Möglichkeit, viele Gegenstände des täglichen Gebrauchs mit einigen aufgedruckten Transistoren zu versehen, also mit einer gewissen technischen Intelligenz. Lebensmittel an der Kasse können ihren Preis und gegebenenfalls auch ihr Verfallsdatum automatisch melden Wäschestücke können in der Waschmaschine automatisch das korrekte Waschprogramm programmieren.

VDI Nachrichten: Läßt sich denn überhaupt erwarten, daß man extrem feine Strukturen – sagen wir mal 10 nm – überhaupt mit den Mitteln einer Massenproduktion herstellen kann?

Wieder: Das ist eine der großen offenen Fragen. Ich will sie mal quantitativ spezifizieren. Ein Minimaltransistor, wie wir ihn uns heute im Grenzfall vorstellen, wird die Abmessungen von ca. 20 nm x 20 nm x 20 nm haben und damit nur aus etwa 10 000 Siliziumatomen bestehen. Mit gezielter Verunreinigung des Halbleitermaterials durch Dotieratome im Promillebereich muß man damit unipolare oder bipolare Transistorfunktion herstellen können. Das bedeutet, daß dieser Minimaltransistor nur noch fünf bis zehn Dotieratome enthalten wird. Damit stellt sich die konkrete Frage, wie man in einer zukünftigen Fertigung unter den Bedingungen der Massenproduktion noch eine Kontrolle auf atomarer Ebene herstellen kann.
Eine Prognose in eine so ferne Zukunft ist außerordentlich schwierig. Aber wenn ich 15 Jahre zurück schaue und mir die Prognosen für den heutigen Tag ansehe, ist es für mich überhaupt nicht einsichtig, daß nicht 15 Jahre für die Lösung dieser Aufgabe hinreichen sollten. Zumal wir Ansätze dazu heute schon in den Labors haben: durch die Selbstorganisation, durch das Fertigen unter Vakuum und durch das Ausnutzen von Affinitäten verschiedener Materialien, die sich „mögen“ bzw. „nicht mögen“. Es gelingt heute schon mit dem Atomic-Force-Mikroskop, einzelne Atome gezielt zu manipulieren.

VDI Nachrichten: Hat Silizium möglicherweise irgendwann einmal ausgedient?

Wieder: Wenn man das Thema Strukturfeinheiten zu Ende denkt, kommt man sicher spätestens auf der atomaren Ebene an eine fundamentale Grenze. Die Frage ist, ob dann der Fortschritt wirklich zu Ende ist. Ich meine: Nein. Die Fortschritte in der Mikroelektronik werden auch zukünftig durch Kostenreduktion und erforderlicher Verlustleistung pro realisierter elektronischer Funktion gemessen werden. Diese Fortschritte werden durch Beiträge in Prozeßtechnik, Schaltungstechnik, Chip-Architektur und Chip-Systemtechnik erbracht, so daß der Verkleinerungszwang viel von seiner Bedeutung verlieren wird.

VDI Nachrichten: MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) haben ja bis vor nicht allzu langer Zeit ein Eigenleben geführt: Das wohl bekannteste Beispiel ist bisher das Digital Mirror Device (DMD), mit welchem man brilliante Großprojektion von TV-Bildern realisiert hat. Was können Sie unseren Lesern hier noch in Aussicht stellen?

Wieder: Das von Ihnen angesprochene Digital Mirror Device von TI ist eine wirklich beeindruckende Entwicklungsleistung, ist aber bisher noch weit von einem Massenprodukt entfernt. Ein Produkt mit einem relativ großen Volumen ist heute die Steuerelektronik für den Airbag. Dort sitzt eine kleine seismische Masse, im Chip schwingend aufgehängt, und steuert über kapazitive Sensoren und Digitalverarbeitung auf dem gleichen Chip die gesamte Airbagfunktion. Andere Produkte mit relativ hohem Volumen sind intelligente Drucksensoren bzw. intelligente Druckdifferenzsensoren für die chemische Verfahrenstechnik. Zukünftig werden wir in den Autos intelligente Drehratensensoren haben, die einen Schleuderzustand automatisch erkennen. Aus unserem eigenen Forschungslabor kann ich neben diesen intelligenten Sensoren auch noch unseren Fingertipsensor nennen, der automatisch auf einem Chip die biometrischen Fingermerkmale eines Menschen aufnehmen und auswerten kann, um so zukünftig einen großen Beitrag zum Thema Komfort und vor allem Sicherheit in unser Leben zu bringen.

VDI Nachrichten: Es erheben sich Stimmen, die vor einer Softwarefalle warnen, in welche die ganze Mikroelektronik-Industrie hineinläuft.

Wieder: Die vielzitierte Softwarekrise wird etwas entschärft. Wenn wir selbstlernende elektronische Systeme haben werden, die sich nach einer Trainingsphase selbständig durch Lernprozesse weiter an die Applikation anpassen, entfällt ein großer Teil der heutigen Applikationssoftware. Die elektronischen Systeme werden fehlertolerant sein, fehlerkorrigierende Eigenschaften haben und lernende Prinzipien realisieren. So etwas sehen wir heute schon rudimentär in den Hardware- bzw. Software-emulierten neuronalen Netzen. Grundlegend unterscheiden werden sie sich in der Komplexität und vor allem in der Geschwindigkeit des Lernens. Hierzu ist ganz wesentliche und hochkomplexe Software bereitzustellen. Nicht die Optimierung von Designwerkzeugen (Tools) zum Entwurf elektronischer Systeme wird im Entwicklungsfokus stehen, sondern die Konzeption von Trainingssoftware.

VDI Nachrichten: Eine letzte Frage: Was wäre die größte Überraschung für Sie auf dem Gebiet der Mikroelektronik?

Wieder: Wenn mein „Credo“ sich als falsch erweisen würde: „Mikroelektronik und Software werden als “enabling Technologies“ die Welt mehr verbessern als jede Technik zuvor und in den betroffenen Ländern wesentlichen Wohlstand generieren“.
DELANO L. KLIPSTEIN
Armin Wieder, Forschungschef der Infineon Technologies: „Fortschritte in der Mikroelektronik werden auch zukünftig an der Kostenreduktion und erforderlicher Verlustleistung pro realisierter elektronischer Funktion gemessen.“
Der Fingertipsensor nimmt automatisch auf einem Chip die biometrischen Fingermerkmale eines Menschen auf und wertet sie aus. Damit lassen sich neue Merkmale für Komfort und Sicherheit erzielen, z.B. der sichere Schutz gegen mißbräuchliche Nutzung von Kreditkarten.

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