Wie Transistoren eine Million Mal kleiner wurden

Der erste Transistor

Am 23. Dezember 1947 machen drei Ingenieure etwas bei Bell Labs in New Jersey: Bardeen, Brattain und Shockley. Sie pressen zwei kleine Gold-Stücke auf ein dünnes Stück Germanium. Dann sehen sie: Das elektrische Signal wird fast 100 Mal stärker, wenn es herauskommt.

Dieses Ding ist fast so groß wie ein Daumen. Es sieht mehr wie ein Kinderspielzeug aus als wie eine große Erfindung. Sie nennen es Transistor.

Bardeen, Brattain und Shockley bekommen später den Nobelpreis für Physik im Jahr 1956. Und dieser Transistor wird nach 79 Jahren von IBM sehr klein gemacht: auf 0,7 Nanometer. Das sind 7 Angström. Angström ist eine Einheit für die Größe von Atomen, Molekülen und Lichtwellen. 0,7 Nanometer ist so groß wie ein paar Silizium-Atome. Auf einer Fläche so groß wie ein Fingernagel passen jetzt 100 Milliarden solcher Transistoren.

Vom ersten Transistor im Jahr 1947 bis zum IBM-Transistor im Jahr 2026 ist die Größe etwa eine Million Mal kleiner geworden. 0,7 Nanometer ist noch kleiner als ein Bakterium.

7 Jahrzehnte lang wurde der Transistor eine Million Mal kleiner. Quelle: memorial/bellsystem

Eine der verrücktesten Ideen in der Geschichte der Technik

Im Jahr 1965 schreibt ein Ingenieur von Fairchild Semiconductor einen Artikel für die Zeitschrift Electronics. Er heißt Gordon Moore. Er sieht einen komischen Trend: Die Zahl der Transistoren auf einem Chip wird jedes Jahr doppelt so groß, seit es integrierte Elektronik gibt. Er denkt: Das geht noch mindestens 10 Jahre so weiter.

Zehn Jahre später, im Jahr 1975, schaut er wieder auf die neuen Daten. Er korrigiert seine Idee: Die Zahl wird alle zwei Jahre doppelt so groß, nicht jedes Jahr. Das klingt langsamer. Aber wenn sich etwas alle 2 Jahre verdoppelt und das 60 Jahre lang, ist das eine der verrücktesten Ideen in der Geschichte der Technik.

Diese Idee bekommt den Namen "Moores Gesetz". Aber es ist kein echtes Naturgesetz. Es ist eher eine Prophezeiung, die sich selbst erfüllt. Die Technik-Welt glaubt, dass es stimmt. Deshalb investieren alle viel Geld, damit es stimmt. Und so wird es wirklich wahr.

In den nächsten 50 Jahren wird die Zahl der Transistoren auf einem Chip fast alle zwei Jahre doppelt so groß - genau wie Moore gesagt hat. Auf dem ersten Chip gibt es nur ein paar Dutzend Transistoren. In den 1990er Jahren sind es ein paar Millionen. Im Jahr 2010 sind es ein paar Milliarden. Und im Jahr 2026 sind es 100 Milliarden auf einer Fläche so groß wie ein Fingernagel.

Man kann das so erklären: Wenn die Auto-Industrie so schnell wachsen würde, dann würde ein Auto heute mit einem Liter Benzin viele Millionen Kilometer fahren. Und es würde weniger als 1 Dollar kosten.

Ab etwa 2010 wird alles sehr schwierig. Der Transistor ist nur noch ein paar Dutzend Atome dick. Die Quantenmechanik stört jetzt. Das Problem ist: Bei dieser kleinen Größe folgen die Elektronen nicht mehr den Ingenieuren. Sie machen "Quantum Tunneling". Das heißt, sie springen durch eine elektrische Barriere, als ob die Barriere nicht da ist. Der Transistor verliert Strom, der Chip wird heiß und braucht viel Energie ohne Nutzen. Deshalb ist es sehr schwer, den Strom im Chip zu kontrollieren, obwohl der Chip nur so groß wie ein Fingernagel ist.

Die Chip-Ingenieure haben fast keine Ideen mehr für das Kleiner-Machen in der Breite. Viele Leute sagen: Moores Gesetz stirbt bald. Es gibt mehr Artikel über den Tod von Moores Gesetz als Artikel darüber, dass Moores Gesetz noch lebt.

Der Wendepunkt von IBM und das physikalische Limit auf Silizium

Am 25. Juni 2026, genau einen Tag bevor Vietnam sein Nationales Zentrum für Chip-Produktion eröffnet, zeigt die Firma IBM eine neue Technologie unter 1 Nanometer. Das ist das erste Mal in der Geschichte der Menschheit, dass diese Grenze gebrochen wird. Der neue Sub-1nm-Chip von IBM hat fast 100 Milliarden Transistoren auf einem Chip so groß wie ein Fingernagel. Die Dichte ist fast doppelt so hoch wie beim 2-Nanometer-Chip von IBM aus dem Jahr 2021.

Das Geheimnis ist nicht, in der Breite noch kleiner zu werden. Das Geheimnis ist, nach oben zu bauen. IBM macht nicht nur kleinere Transistoren in zwei Richtungen. IBM baut viele Schichten von Transistoren übereinander, eine nach der anderen in der Höhe. Das heißt "3D sequential integration". Und in jeder Schicht benutzt IBM andere Materialien. So kann man Leistung und Stromverbrauch für jeden Transistor extra optimieren. IBM nennt diese Architektur "Nanostack". Das ist technisch sehr schwer. Einfach gesagt: Die Chip-Ingenieure lernen von Bauarbeitern für Hochhäuser. Wenn kein Platz mehr in der Breite ist, baut man mehr Etagen. Im Vergleich zum jetzigen 2-Nanometer-Chip sagt IBM: Die Leistung ist 50 % besser oder man spart 70 % Strom.

IBM zeigt den ersten Chip der Welt, der kleiner als ein Nanometer ist. Foto: IBM

Aber man muss wissen: Der Name "0,7 nm" ist nur Marketing. Er zeigt keine echte physikalische Größe auf dem Chip. Der echte Abstand zwischen den Transistoren ist schon lange fast immer bei etwa 40 Nanometern geblieben. Der Name des Nodes ist heute nur ein Name für die Technik-Generation, kein Maß. Aber die Zahl 100 Milliarden Transistoren auf einem Fingernagel ist echt, man kann sie messen und sie ist sehr beeindruckend.

Wenn alles nach Plan läuft, erwartet die Firma Rapidus, dass diese Technologien Anfang der 2030er Jahre auf den Markt kommen. Rapidus aus Japan hat die IBM-Technologie lizenziert und testet jetzt 2-Nanometer-Wafer in Hokkaido. Das Design soll Ende 2026 fertig sein für den ersten Tape-Out. Die Produktion soll dann im Jahr 2027 langsam mehr werden.

Und hier erlaube ich mir eine kleine persönliche Vorhersage. Sie basiert auf dem, was ich gehört, gelesen und gelernt habe.

Hat Silizium schon das Limit erreicht? Noch nicht ganz, aber fast. IBM denkt, die Nanostack-Architektur kann noch mindestens ein weiteres Jahrzehnt helfen. Das heißt bis etwa 2035.