Bild: Vertical Integration Roadmap. Marschtabelle der 3D-Chipentwicklung: So sieht das führende Mikrolabor Leti in Frankreich die Entwicklungsfortschritte der 3D-Chiptechnologie. (Quelle: LETI/IBM)
Die erste integrierte Schaltung vereinigte vor knapp 50 Jahren acht Transistoren auf einem Chip. Heute bestehen solche Chips aus Milliarden von Transistoreinheiten und sind zur gewöhnlichen Handelsware geworden. Sie kosten nur noch ein paar Franken und werden - allen Voraussagen eines baldigen Endes dieser Entwicklung zum Trotz – immer noch rund alle 18 Monate doppelt so leistungsfähig, oder sie kommen bei gleicher Leistung zum halben Preis auf den Markt.
Diese stürmische Entwicklung könnte noch lange weiter gehen, denn in den letzten Monaten ist ein technologischer Durchbruch gelungen. Bisher beschränkte sich die Miniaturisierung auf zwei Dimensionen: Es gelang, immer mehr Komponenten auf der gleichen Fläche der wenige Quadratzentimeter grossen Siliziumplättchen unterzubringen.
Jetzt kommt die dritte Dimension hinzu – Neue Technologien erlauben es, die Plättchen übereinander
zu stapeln und ihre zahllosen horizontalen Verbindungen mit vertikalen Verbindungen zu ergänzen. Wie es sich für eine Hightech-Entwicklung gehört, ist die Bezeichnung dafür eine Abkürzung und besteht aus den drei Buchstaben TSV. Sie stehen für "Through Silicon Vias", weil diese Vertikalverbindungen durch das Siliziumsubstrat zweidimensionaler Chips hindurch führen müssen.
Letzte Woche erklärte Thomas Brunschwiler, der im IBM Forschungslabor Rüschlikon arbeitet, in einem allgemein verständlichen und reich illustrierten Vortrag am IBM Technology Forum, diesen technologischen Durchbruch. Grundsätzlich sind solche 3D-Chips einfach aufgebaut. Als erste derartige Produkte kamen schon letztes Jahr Digitalkameras mit aus mehreren Lagen bestehenden Chips auf den Markt. Ihre Vertikalverbindungen bestehen aus feinen Golddrähten, die jedoch nicht durch das Siliziumsubstrat hindurch führen, sondern von einer gemeinsamen Grundfläche her aussen am pyramidenförmig geschichteten Chipstapel zu den einzelnen Chipplättchen führen. Bereits die folgende Entwicklungsgeneration verwendet nun aber echte TSV-Vertikalverbindungen. Dazu werden ins Silizium der Verbindungsschichten eingeätzte Löcher mit Kupfer gefüllt. Die Kupferleiter für die Stromversorgung sind dabei mehrfach dicker - 10 bis 30 Mikron oder Tausendstelsmilimeter stark - als jene für die Datenleitungen der Signalverbindungen.
Die Entwicklung der zweidimensionalen, planaren Chips stiess vor allem an Grenzen, weil bei sehr hoher Taktrate im Gigahertz-Bereich ihre Wärmedichte - über 10 Mal mehr als in einer Kochplatte - nicht mehr beherrschbar war und die entstehende Wärme nicht mehr abgeführt werden konnte. Dagegen wurde vor allem von IBM eine Wasserkühlung nach dem Konzept der Microfluidic Channels (MFC) entwickelt. Im neuen, von IBM gemeinsam mit der ETH gebauten Supercomputer Aquasar führen solche feinen Kapilarkanäle Kühlwasser auf die Rückseite von Chips und kühlen diese auf etwa 85 Grad Celsius, wobei das entstehende Heisswasser für die Gebäudeheizung verwendet werden kann.
Zurzeit müssen die einzelnen Schichten bei der Herstellung von "Stapelchips" noch für jeden Chip einzeln aufeinendergeschichtet werden , doch schon etwa 2012 wird man ganze Waver mit Hunderten von Chips - Prozessoren, Cache- und Arbeisspeicher in einzelnen Schichten – zuerst miteinander verbinden und die Chips nachher auftrennen können, was die industrielle Herstellung wesentlich vereinfachen wird. (Gregor Henger)
