3-Nanometer-Fertigung

Ein Computerchip ist eine dünne Scheibe aus Silizium, in die winzige elektrische Schalter eingebaut sind. Diese Schalter heißen Transistoren, und ein moderner Chip enthält Dutzende Milliarden davon. Je kleiner man sie baut, desto mehr passen auf die gleiche Fläche. Die 3-Nanometer-Fertigung ist die aktuell fortschrittlichste Generation dieser Herstellungsverfahren. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter, ein menschliches Haar ist rund 50.000 Nanometer dick. Wichtig ist aber: In einem solchen Chip misst kaum ein Bauteil tatsächlich drei Nanometer. Die Zahl ist ein Name für eine Technikgeneration, kein gemessener Wert.

Warum ein paar Nanometer über Milliardenmärkte entscheiden

Kleinere Transistoren bringen zwei Vorteile gleichzeitig. Erstens passen mehr davon auf einen Chip, also steigt die Rechenleistung. Zweitens muss jeder einzelne Schalter weniger Strom bewegen, also sinkt der Verbrauch. Deshalb hält ein neues Smartphone länger durch und rechnet trotzdem schneller.

Für Rechenzentren ist der Stromverbrauch sogar der wichtigere Punkt. KI-Modelle laufen auf tausenden Chips gleichzeitig, und die Stromrechnung ist ein großer Teil der Betriebskosten. Ein Fertigungsschritt, der 20 bis 30 Prozent Energie spart, verändert die Wirtschaftlichkeit ganzer Geschäftsmodelle.

Dazu kommt die politische Seite. Nur sehr wenige Unternehmen weltweit beherrschen die 3-Nanometer-Fertigung, allen voran TSMC in Taiwan sowie Samsung in Südkorea. Die Maschinen dafür kommen fast ausschließlich vom niederländischen Hersteller ASML. Diese Abhängigkeit von wenigen Standorten ist ein Grund, warum Chips regelmäßig in Handelskonflikten auftauchen.

Belichten, ätzen, wiederholen

Chips entstehen nicht durch Zusammenbauen, sondern durch Aufdrucken in Schichten. Auf eine Siliziumscheibe kommt eine lichtempfindliche Lackschicht. Darauf wird ein Muster projiziert, ähnlich wie bei einem Diaprojektor, nur stark verkleinert. Wo Licht auftraf, lässt sich der Lack wegwaschen, und die freigelegten Stellen werden weggeätzt oder mit Metall gefüllt. Dieser Ablauf wiederholt sich für über hundert Schichten.

Für so feine Muster reicht normales Licht nicht mehr aus. Die 3-Nanometer-Fertigung nutzt extrem ultraviolettes Licht, kurz EUV, mit einer sehr kurzen Wellenlänge. Erzeugt wird es, indem winzige Zinntropfen von einem Laser verdampft werden. Eine einzige solche Maschine kostet weit über 150 Millionen Euro.

Zusätzlich änderte sich die Bauform der Transistoren selbst. Bei Samsung und teilweise bei TSMC umschließt die Steuerelektrode den Stromkanal inzwischen von allen vier Seiten. Fachleute nennen das Gate-All-Around. Der Schalter schließt dadurch dichter, und weniger Strom sickert ungewollt durch. Genau dieses Sickern ist der Hauptgrund, warum weiteres Verkleinern so schwierig geworden ist.

3 Nanometer in Produkten und Schlagzeilen

Wer ein aktuelles Spitzen-Smartphone besitzt, trägt sehr wahrscheinlich einen 3-Nanometer-Chip in der Tasche. Apple war 2023 mit dem A17 Pro der erste große Abnehmer. Auch neuere Notebook-Prozessoren und Grafikchips für KI-Rechenzentren nutzen diese Generation. In der Praxis merkt man davon nichts direkt, nur an Akkulaufzeit und Tempo.

In den Wirtschaftsnachrichten taucht der Begriff meist in drei Zusammenhängen auf: bei Quartalszahlen von TSMC, bei Exportbeschränkungen gegenüber China und bei Subventionsprogrammen für neue Fabriken in Europa und den USA. Eine solche Fabrik kostet leicht 20 Milliarden Dollar.

Ein häufiger Irrtum ist, dass die Zahlen verschiedener Hersteller vergleichbar seien. Ein 3-Nanometer-Prozess von Samsung entspricht technisch nicht exakt einem von TSMC. Ein sinnvollerer Vergleich ist die Transistordichte, also wie viele Schalter pro Quadratmillimeter Platz finden. Die nächsten Generationen heißen bereits 2 Nanometer und darunter, doch das reine Verkleinern stößt langsam an physikalische Grenzen.