Gate-all-around
Gate-all-around ist eine Bauform für die winzigen Schalter in Computerchips, bei der die Steuerelektrode den stromführenden Kanal vollständig umschließt. Diese Bauweise löst seit etwa 2022 die ältere FinFET-Bauform ab und ist die Grundlage moderner 2-Nanometer-Fertigung.
Jeder Computerchip besteht aus Milliarden winziger Schalter, den Transistoren. Ein Transistor hat einen Kanal, durch den Strom fließen kann, und eine Steuerelektrode, die diesen Fluss an- und abschaltet. Diese Steuerelektrode heißt Gate. Bei der Bauform Gate-all-around umschließt das Gate den Kanal von allen Seiten, statt ihn nur von oben oder von drei Seiten zu berühren. Der Kanal steckt dann im Gate wie ein Stromkabel in seiner Isolierung. Der englische Name bedeutet genau das: Gate rundherum.
Warum Chips ohne diese Bauform nicht kleiner werden
Chiphersteller verkleinern ihre Transistoren seit Jahrzehnten immer weiter. Kleinere Schalter heißen mehr Rechenleistung pro Fläche und weniger Stromverbrauch. Doch je kürzer der Kanal wird, desto schwerer fällt es dem Gate, ihn wirklich dicht zu schließen. Der Strom sickert dann auch im ausgeschalteten Zustand durch. Fachleute nennen das Leckstrom.
Leckströme sind kein kleines Ärgernis, sondern ein hartes Limit. Sie verbrauchen Energie, ohne irgendetwas zu berechnen, und erzeugen Abwärme. Ein Smartphone-Akku entleert sich dadurch schneller, ein Rechenzentrum braucht mehr Kühlung. Ab einer bestimmten Größe bringt weiteres Schrumpfen ohne bessere Kontrolle also gar nichts mehr.
Gate-all-around verschafft der Industrie hier wieder Luft. Weil das Gate den Kanal komplett umfasst, kontrolliert es ihn deutlich besser. Der Transistor schaltet bei niedrigerer Spannung sauber ab. Ohne diesen Schritt wären Fertigungsstufen wie 2 Nanometer kaum sinnvoll machbar gewesen.
Vom Fin zum gestapelten Nanosheet
Die frühesten Transistoren waren flach: Der Kanal lag als dünne Schicht auf der Siliziumoberfläche, das Gate saß nur oben darauf. Ab etwa 2011 stellte die Industrie auf den FinFET um. Dabei steht der Kanal als schmale Finne hoch, und das Gate umfasst sie von drei Seiten. Die Unterseite bleibt aber mit dem Chip verbunden und damit unkontrolliert.
Gate-all-around geht den letzten Schritt. Der Kanal wird als frei schwebendes Bändchen gefertigt, ein sogenanntes Nanosheet. Es ist nur wenige Atomlagen dick. Danach wird das Gate-Material ringsum abgeschieden, auch unter dem Bändchen. So gibt es keine unkontrollierte Seite mehr.
Üblicherweise stapelt man mehrere solcher Bändchen übereinander, oft zwei bis vier. Jedes trägt zum Stromfluss bei, ohne dass der Transistor mehr Grundfläche belegt. Die Breite der Bändchen lässt sich zudem anpassen: breitere Bändchen liefern mehr Leistung, schmalere sparen Strom. Bei der FinFET-Bauform ging das nur in groben Stufen, weil man nur ganze Finnen hinzufügen konnte.
2-Nanometer-Chips in Nachrichten und Produkten
Samsung startete 2022 als erster Hersteller mit Gate-all-around in der Massenfertigung. TSMC, der größte Auftragsfertiger der Welt, zog mit seiner 2-Nanometer-Generation nach. Intel nutzt die gleiche Grundidee unter dem Markennamen RibbonFET. Wenn in Wirtschaftsnachrichten von 2-Nanometer-Chips die Rede ist, steckt praktisch immer diese Bauform dahinter.
Direkt zu sehen bekommt man einen solchen Transistor nie. Er steckt im Prozessor von Smartphones, Notebooks und vor allem in den Beschleunigerchips für künstliche Intelligenz. Gerade dort zählt jedes eingesparte Watt, weil Rechenzentren enorme Strommengen verbrauchen.
Ein verbreiteter Irrtum: Die Angabe 2 Nanometer beschreibt keine tatsächlich gemessene Länge im Chip. Sie ist heute ein Marketingname für eine Fertigungsgeneration. Die realen Bauteile sind größer. Aussagekräftiger sind Kennzahlen wie Transistoren pro Quadratmillimeter oder der Stromverbrauch bei gleicher Rechenleistung.