Halbleiter
Der Transistor ist das meistgefertigte Objekt in der Menschheitsgeschichte – über 10 Sextillionen seit 1947.
Was ist ein Halbleiter?
Ein Halbleiter (meist Silizium) leitet Strom unter bestimmten Bedingungen, unter anderen nicht. Durch Dotieren mit kleinen Mengen anderer Elemente (Phosphor für n-Typ, Bor für p-Typ) entstehen Regionen, die zwischen leitend und isolierend umgeschaltet werden können. Dies ist der Transistor – der grundlegende Baustein aller modernen Elektronik.
Die Transistor-Erfindung (1947)
John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley bei Bell Labs erfanden den Transistor am 16. Dezember 1947 und gewannen dafür den Nobelpreis für Physik 1956. Er ersetzte die Vakuumröhre – kleiner, zuverlässiger, billiger und weitaus sparsamer. Die integrierte Schaltung (mehrere Transistoren auf einem Chip) folgte 1958.
Moores Gesetz
Gordon Moore beobachtete 1965, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelte, während die Kosten halbierten. Dieses „Gesetz" hielt bemerkenswert gut 50 Jahre lang. Intels 4004 von 1971 hatte 2.300 Transistoren. Apples moderner M3 Max-Chip hat 92 Milliarden. Moores Gesetz verlangsamt sich jetzt, da Transistoren atomare Dimensionen erreichen.
Wie Chips hergestellt werden
Die Halbleiterfertigung ist der komplexeste Herstellungsprozess der Menschheitsgeschichte. Ein Siliziumwafer wird mit Fotolack beschichtet, dann durch eine Maske mit extremem Ultraviolettlicht belichtet. Dies wird hunderte Male mit Nanometer-Präzision wiederholt. TSMCs fortschrittlichste Fabs kosten über 20 Milliarden Dollar und benötigen EUV-Lithographiemaschinen von ASML, die es nirgendwo sonst gibt.
Die globale Chip-Lieferkette
Kein einzelnes Land kann fortschrittliche Chips allein herstellen. Das niederländische Unternehmen ASML produziert die einzigen EUV-Maschinen der Welt. Japan liefert Spezialchemikalien. Taiwan (TSMC) und Südkorea (Samsung) führen die fortschrittlichste Fertigung durch. Die USA designen viele Chips (Intel, AMD, Nvidia) fertigen aber weniger. Diese Abhängigkeit erzeugt massive geopolitische Spannungen.
GPUs und der KI-Boom
Grafikkarten wurden für 3D-Spiele entwickelt, indem sie Millionen einfacher Berechnungen parallel verarbeiten. Forscher entdeckten, dass diese Parallelarchitektur perfekt für das Training neuronaler Netze ist. Nvidias Marktkapitalisierung stieg von 300 Milliarden Dollar (2022) auf über 3 Billionen Dollar (2024), allein getrieben durch KI-Nachfrage nach H100-Chips.
Chips und Kerntechnologie
Strahlungsgehärtete Chips sind für Kernkraftwerke, Waffensysteme und Raumfahrtanwendungen unverzichtbar. Ionisierende Strahlung kann normale Chips durch das Umkippen von Bits stören (Single-Event-Upset). Strahlungsgehärtete Designs verwenden größere Transistoren, redundante Schaltkreise und spezielle Materialien, um dies zu verhindern.