Mikroelektronik

Die Mikroelektronik befasst sich mit der Entwicklung, Produktion und Anwendung mikroelektronischer Bauelemente und Schaltungsgruppen. Dabei ist auch die Grundlagenforschung zur

• Gewinnung hochreiner Materialien
• Realisierung vielfältiger technischer Verfahren (z.B. Ätzverfahren)

wichtig.

Dominierende Bauelemente sind mikroelektronische Schaltkreise (ICs, ,,Integrated Circuits``). Sie enthalten auf einer Fläche von $1 mm^2$ bis $1 cm^2$ eine große Anzahl von Transistorfunktionen (moderne Mikroprozessoren wie der Pentium4 von Intel $\approx$ 55 Mio.) mit Strukturelementen im $\mu m$ Bereich (modernste Speicher wie 256-MBit-Chips im Sub-$\mu m$-Bereich). Die Integration zu komplexen Funktionsgruppen geschieht durch gemeinsame Herstellung vieler Transistoren auf einer Siliziumscheibe (,,Wafer``) und deren anschließende ,,Verdrahtung`` durch aufgedampfte Substanzen zu Schaltungen (Logikgatter, Speicher, Mikroprozessoren, etc.).

Anfang der siebziger Jahre begann die Entwicklung des Mikroprozessors, d.h. programmierbarer Elektronik. Diese ist besonders interessant, da Mikroprozessoren universell einsetzbare Schaltkreise sind und daher in großen Stückzahlen produziert und verwendet werden. Die Anpassung an spezielle Aufgaben geschieht über eine programmierte Befehlsfolge. Die Forderung der Rechnerhersteller nach billigen Logikschaltkreisen und Halbleiterspeichern übte starken Einfluss auf die Mikroelektronik-Technologie aus. Mikroprozessoren und auf ihrer Grundlage gefertigte Mikrorechner und Steuerungseinheiten ermöglichen den Einsatz programmgesteuerter Geräte auch dort, wo vorher z.B. aus Kostengründen der Einsatz eines Kleinrechners oder eines aus diskreten Logikelementen aufgebauten Systems für Steuerungs-, Mess- oder Automatisierungszwecke nicht in Frage kam.

Abbildung 1.1: Das S1672-Motherboard der Firma Tacoma [#!tacoma!#]

Seit einigen Jahren geht ein neuerer Trend zu anwenderspezifischen Schaltkreisen (Application Specific ICs,,,ASICs``). Sie werden für spezielle Aufgaben verwendet und stellen eine Kombination von Standard-ICs dar. So war zum Beispiel die Grundplatine (,,Motherboard``) eines Original-IBM-AT vor wenigen Jahren mit etwa 50 Chips (Speicherbausteine ausgenommen) bestückt. Heute kommt man mit Sätzen von 3 oder 4 ASICs plus einige wenige zusätzliche Chips aus. Abbildung 1.1 zeigt ein Motherboard mit 3 Chips der Firma Intel, die die wesentlichen Steuerungsaufgaben für das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten ausführen. Weitere Bestandteile der Platine sind: in der Mitte der Platz (ZIF Socket 8) für den Prozessor, rechts davon 6 Steckplätze für Speichermodule (72pin-SIMM-Sockets), links vom Prozessorsockel sind 4 PCI- und 4 ISA-Bus-Steckplätze für Erweiterungskarten. Dazu gehören z.B. Grafikkarten, Soundkarten, Ethernetkarten u.a.

Das ,,Herz`` eines Rechners bildet die CPU und insbesondere durch die stetige und schnelle Entwicklung auf diesem Gebiet, sind die heutigen Leistungen von Computern möglich. Die Abbildung 1.3 zeigt einen modernen Prozessor der Intel Corp., der auf einer sehr geringen Fläche mehrere Millionen Transistoren vereint.

Abbildung 1.2: Prozessor [#!intel!#]

Abbildung: Größe eines Prozessors [#!intel2!#]

Nicht nur die Anzahl der Transistoren erhöhte sich im Verlauf der vergangenen 25 Jahre, sondern auch Rechengeschwindigkeiten. Es gibt mehrere Größen, die Leistungsfähigkeit eines Mikroprozessors zu messen. Eine gebräuchliche ist die mögliche Anzahl der ausgeführten Instruktionen pro Sekunde -- MIPS (engl. millions of instructions per second)

Etwa alle 1,5 bis 2 Jahre verdoppelt sich der Integrationsgrad (Anzahl der auf einem Chip realisierten Transistorfunktionen; Moore's Law (Gordon Moore, 1965) geht von einer Verdoppelung der Transistoren alle 18 Monate aus). Dies wird verursacht durch Reduktion der Strukturabmessungen, Nutzung neuer Effekte und Schaltungsprinzipien, sowie auch durch größere Chipflächen (bis $\sim 1cm^2$). Der Alpha 21164 der Digital Equipment Corp. hat 9,6 Millionen Transistoren und erreicht damit bei einer Taktrate von 600MHz eine Rechenleistung von 2,4 BIPS -- billions (Milliarden) of instructions per second). Gleichzeitig fallen die Kosten für die Rechenleistung.

Die Mikroelektronik zeigt ein beispiellos hohes Wachstum über ca. 25 Jahre ohne erkennbare Sättigungseffekte (Es gibt dennoch physikalische Grenzen, wenn z.B. elektromagnetische Effekte von quantenmechanischen Effekten übertroffen werden). Der Fortschritt in der Halbleitertechnologie ist beispielhaft in Tabelle 1.1 aufgeführt.

Tabelle 1.1: Entwicklung von Prozessoren der Intel Corp. (Auswahl)

Jahr	Chip	MIPS	Taktrate MHz	Transistorzahl
1971	4004	0,06	0,108	2.300
1972	8008	0,06	0,200	3.500
1974	8080	0,64	2,000	6.000
1976	8085	0,37	5,000	6.500
1978	8086	0,75	10,000	29.000
1982	80286	2,66	12,000	134.000
1985	386DX	11,40	33,000	275.000
1989	486DX	41,00	50,000	1.200.000
1992	486DX2	54,00	66,000	1.200.000
1993	Pentium66	112,00	66,000	3.100.000
1994	Pentium100	166,30	100,000	3.200.000
1995	Pentium133	218,90	133,000	3.300.000
1996	Pentium166		166,000	3.300.000
1997	Pentium233		233,000	4.500.000
1997	PentiumPro	440,00	200,000	5.500.000
1997	PentiumII		300,000	7.500.000
1999	PentiumIII		600,000	9.500.000
2000	Pentium4		1.500,000	42.000.000
2001	Pentium4		1.800,000	42.000.000
2002	Pentium4		2.200,000	55.000.000

Quelle des Zahlenmaterials: http://www.intel.com/