Der Masseneinsatz kleinster elektronischer Bauelemente (Mikroelektronik) hat die Welt drastisch verändert. Sie spielen z. B. im Bereich der Sensorik (als „elektronische Sinnesorgane“ z. B. zur Abstandsmessung im Auto, …) oder bei der Entwicklung von leistungsfähigen Datenspeichern eine wesentliche Rolle. Auch Handys sind leistungsfähige kleine Computer, die aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind – vom Telefonieren, Fotografieren und Musikhören übers Surfen im Internet bis hin zur Anwendung unzähliger Apps. Aufbau und Materialien blieben über viele Jahre hinweg nahezu unverändert. Die Abmessungen der einzelnen Bauelemente wurden immer weiter verringert, um so die Anzahl pro Flächeneinheit und damit die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Inzwischen setzen physikalische Effekte der Miniaturisierung Grenzen und neuartige Materialien stehen im Zentrum der Forschung. Die Geschichte der Mikroelektronik begann Mitte des 20. Jahrhunderts mit dem ersten Germanium-Transistor. Mit ihm wurden die Voraussetzungen für integrierte Schaltungen (integrated circuit, IC) geschaffen. ICs sind elektronische Schaltungen, deren Komponenten zusammen mit ihren Stromleitungen direkt auf Halbleiterplättchen schichtweise aufgebaut werden. Ein IC enthält eine Kombination von zahlreichen (bis zu viele Milliarden) elektronischen Halbleiterbauelementen wie Transistoren und Dioden, die auf wenigen Quadratmillimetern Platz finden. Bereits 1965 sagte Gordon Moore (Mitbegründer des Halbleiterherstellers INTEL) voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Chip etwa alle zwei Jahre verdoppeln werde (34.4). Dieses „Moore’sche Gesetz“ gilt (je nach Auslegung) noch heute. Neueste Chipgenerationen enthalten bis zu fünf Milliarden Transistoren pro Chip. Gleichzeitig wuchs die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren ebenfalls exponentiell. Derzeit werden die Prozessoren aus physikalischen Gründen (Wärme, Länge der Signalwege, …) kaum mehr schneller. Stattdessen werden zur Erreichung größerer Leistung mehrere Prozessoren parallel geschaltet oder neue Materialien verwendet. Untersuche, überlege, forsche: FLOPS 34.1 W2 FLOPS steht für „Floating Point Operations Per Second“ (Gleitkommaoperationen pro Sekunde) und ist eine Maßzahl für die Rechenleistung eines Computers oder eines Prozessors. Recherchiere zu dieser Maßzahl und vergleiche die Leistungsfähigkeit heutiger Supercomputer oder Smartphones mit jenen, die es in den Anfängen der Computertechnologie (ca. 1935) gegeben hat. 34.4 Das Moore’sche Gesetz ist ein Erfahrungsgesetz, das die Zunahme der Anzahl der Transistoren in einem Chip beschreibt. 1970 1980 1990 2000 2010 10 10 10 10 10 10 10 10 10 9 8 7 6 5 4 3 4004 8008 8080 8088 286 386 486 Pentium AMD K5 PII AMD Barton P4 AMD K8 Itanium2 Anzahl der Transistoren/Chip Verdoppelung in 24 Monaten 34 Erweiterung 3 Halbleiter In diesem Kapitel erfährst du, – was Halbleiter sind und wo sie eingesetzt werden, – was man unter Mikroelektronik versteht und auf welche Weise sie unseren Alltag beeinflusst, – welche physikalischen Grenzen der Miniaturisierung gesetzt sind. 34.1 Der derzeit leistungsstärkste Supercomputer „Frontier“ erzielt eine Rechenleistung von 1,1 ExaFLOPS (1,1·1018 Gleitkommaoperationen pro Sekunde) und wird besonders in der KI-Anwendung eingesetzt. In der Abbildung ist der Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory zu sehen. Welche Rolle spielen Halbleiter in Supercomputern? Welche physikalischen Grenzen sind der Miniaturisierung gesetzt? 34.2 Eine Ameise trägt einen Mikrochip (Rasterelektronenmikroskopaufnahme). 34.3 Handyplatine: Neben Dioden, Transistoren und Widerständen sind es die ICs, die anwendungsspezifisch (Sendung und Empfang beim Handy, Airbag-Auslösung, …) und als Datenspeicherbausteine verwendet werden. Halbleiterbauelemente sind nicht unzerstörbar. Durch die geringen Abmessungen wirkt sich die thermische Verlustleistung stark aus. Die Bauteile werden sehr heiß. Besonders bei Mikroprozessoren setzt dies der Miniaturisierung Grenzen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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