Moore’s Law: Wellen statt Exponentialkurve

Anders als gedacht: Nach dem berühmten „Mooreschen Gesetz“ soll die Miniaturisierung von Computerchips exponentiell verlaufen. Doch stattdessen zeigt die Mikrochip-Entwicklung seit 1959 sechs regelmäßige Wellen, wie eine Analyse enthüllt. Demnach verzehnfachte sich die Transistorendichte jeweils im Laufe von sechs Jahren, dann folgten drei Jahre der Stagnation. Der nächste Schub wäre inzwischen überfällig, doch er könnte der letzte für die Silizium-Technologie sein, so das Forscherteam im Fachmagazin „PLoS ONE“.

Im Jahr 1965 prognostizierte der US-Ingenieur Gordon Moore, dass die künftige Miniaturisierung der Computerschaltkreise einer exponentiellen Kurve folgen würde: Alle zwei Jahre sollte sich die Zahl der Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis verdoppeln. Teilweise wird das Mooresche Gesetz auch auf Transistoren pro Flächeneinheit bezogen. Tatsächlich haben sich die Chipkomponenten inzwischen so verkleinert, dass sie nur noch wenige Nanometer groß sind.

Moore’s Law auf dem Prüfstand

Aber wie gut trifft Moore’s Law wirklich auf die vergangene Entwicklung zu? Und was sagt dies für die Zukunft aus? Das haben nun David Burg und Jesse Asubel von der Rockefeller University in New York untersucht. Dafür werteten sie die Daten der Chip-Hersteller Fairchild und Intel von 1959 bis heute aus – beides Firmen, an denen Moore einst selbst beteiligt war. Aus den Daten rekonstruierten sie den Verlauf der Transistordichte pro Flächeneinheit.

Das Ergebnis: Grob betrachtet scheint das Mooresche Gesetz zu stimmen, wenngleich die Steigung der Kurve zwei Phasen zeigt: Bis 1973 verdoppelte sich die Transistordichte im Schnitt alle 17 Monate, danach alle 33 Monate, wie die Forscher feststellten. Doch bei näherer Analyse zeigten sich weitere Auffälligkeiten: „Statt der typischen Beschleunigungsmerkmale einer Exponentialkurve zeigen die Daten Fluktuationen mit mehreren Phasen einer klaren Verlangsamung“, berichten Burg und Asubel.

Entwicklung in sechs Wellen

Diese Schwankungen entpuppten sich als verblüffend regelmäßige Wellen: Seit 1959 hat die Chipentwicklung sechs Phasen der beschleunigten Miniaturisierung durchlaufen, auf die jeweils eine Phase der Stagnation folgte. „Während jeder Welle erhöhte sich die Transistordichte innerhalb von sechs Jahren um das Zehnfache, dann stagnierte die Entwicklung drei Jahre lang“, so das Team.

Motor dieser Wellen waren jeweils entscheidende Innovationen in der Chipproduktion, wie die Forscher berichten: Die erste Phase folgte der Erfindung des Siliziumtransistors und der Fotolithografie durch die Bell Labs, die zweite begann, nachdem im Jahr 1964 der erste Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) patentiert worden war. Die dritte Welle wurde durch die 1971 von Intel implementierte Silizium-Gate-Technologie (SGT) initiiert.

Die vierte Welle beruht auf der Patentierung der Kurzkanal-MOS (HMOS) im Jahr 1977, die erneut eine Verdichtung der Transistoren auf den Mikrochips ermöglichte. 1989 folgte mit der Markteinführung des 80486-Chips mit Cache und Mathe-Coprozessor ein weiterer Miniaturisierungsschub. Während er 1990er Jahre begann dann die sechste Welle mit der Entwicklung der Tiefen UV-Exzimerlaser-Lithografie, die eine weitere Verkleinerung der Schaltkreise ermöglichte. „Alle seit 1998 produzierten Prozessoren beruhen auf dieser Technologe“, so die Forscher.

Wann ist Schluss für das Silizium?

Seither allerdings stockt die Entwicklung: „Während der letzten zwei Dekaden haben sich die Fortschritte in der Transistor-Miniaturisierung substanziell verlangsamt“, berichten Burg und Asubel. Zwar gab es technische Entwicklungen, durch die die Transistordichte und Prozessorleistung weiter gestiegen ist, aber physikalische Effekte und immer höhere Kosten erschweren die weitere Miniaturisierung.

„Beruhend auf unseren Analysen wäre der nächste Schub in der Transistor-Miniaturisierung überfällig“, konstatieren die Wissenschaftler. Sie halten aber für durchaus wahrscheinlich, dass den Silizium-Chips nur noch ein oder zwei solcher Wellen bleiben, bis sie von einer neuen Technologie abgelöst werden: „Wir haben sechs Wellen von jeweils besserer Silizium-Technologie durchlaufen, aber jetzt könnte der Abschied aus den Hügeln und Tälern des Siliziums und der Wechsel in die Landschaften anderer Materialien und Prozesse bevorstehen.“

Was kommt als nächstes?

Tatsächlich sind bereits zahlreiche alternative Technologien in der Erprobung: Forscher experimentieren mit Speichern und Schaltkreisen aus einzelnen Atomen, Transistoren aus Nanoröhrchen oder Elektronenspins als Recheneinheiten. Auch photonische Bauteile und Mikrochips sind in der Forschung. Parallel dazu entwickeln sich Quantencomputer und die quantenbasierte Kommunikation rasant weiter.

„Möglicherweise warten am Ende der aktuellen Welle statt eines weiteren Silizium-Hügels die Qubit-Gärten“, mutmaßt Asubel. Schon jetzt könnten erste Quantenrechner das Quanten-Supremat demonstriert haben – Leistungen jenseits des für klassische Rechner Erreichbaren. Der erste 1.000-Qubit-Rechner ist ebenfalls bereits in der Entwicklung.

Ungeachtet der Frage, welche Technologie der künftigen Entwicklung zugrunde liegen wird, sehen Asubel und Burg die Treiber dafür vor allem in neuen Anwendungen und Technikprodukten. Dazu gehören lernfähige Algorithmen und KI-Systeme ebenso wie das autonome Fahren oder die mit der 5G-Technologie verknüpfte Hardware. Sie alle werden noch schnellere, kleinere Prozessoren und höhere Leistungen benötigen. (PLoS ONE, 2021; doi: )

Quelle: Terry Collins Association