Intel: 3D-Chip-Stacking, optische Verbindungen und alternative Halbleiter

Quelle: Intel through-silicon-vias (TSV) ermöglichen es, zwei Chips übereinander zu stapeln und trotzdem mit einer großen Anzahl von Kontakten anzubinden Auf dem "Research@Intel Day" gab Intel nicht nur Einsicht in die 15-Nanometer-Fertigung, sondern auch auf Verfahren, die höhere Taktraten, kompaktere Chips oder schnellere Anbindungen ermöglichen sollen. Das Grundproblem ist in allen Fällen das gleiche: Immer höhere Leistungen sollen bei immer geringerem Stromverbrauch und idealerweise auch noch kompakten Abmessungen erreicht werden.

Auf letzteres zielen through-silicon-vias (TSV) ab, an denen sich auch schon andere Hersteller versucht haben. Das Grundkonzept: Zwei Chips werden übereinander platziert, wie es heute bei Flash-Speichern oft praktiziert wird. Im Gegensatz zu diesen können komplexe Recheneinheiten aber nicht nur über ein paar wenige Kontakte entlang der Außenkanten angebunden werden. Hier kommt die TSV-Technik ins Spiel. Feinste Löcher werden durch den unteren DIE gebohrt, die es ermöglichen, eine Vielzahl von Kontakten an der Unterseite des oberen DIEs direkt mit dem Substrat zu verbinden.

Bis zur Serienfertigung müssen aber noch Probleme mit der Stromversorgung des oberen und der Kühlung des unteren DIEs behoben werden. Zusätzliche Kosten bei der Fertigung und die Verringerung des nutzbaren Platzes auf dem unteren Chip schränken die Einsatzgebiete weiter ein. Kombiniert werden könnte das Verfahren mit Kontakten zwischen den beiden DIEs, was eine Verbindung mit sehr großer Bandbreite zwischen Chips mit unterschiedlicher (Fertigungs-)Technologie erlaubt.

Quelle: Intel optical inteconnects könnten Chip-zu-Chip- und später auch On-Chip-Verbindungen deutlich beschleunigen. Eine schnellere Anbindung will auch die zweite präsentierte Technologie ermöglichen:
Optische Verbindungen sollen in naher Zukunft eine schnelle Datenübertragung zwischen Chips ermöglichen. Später sollen sogar Verbindungen auf dem Chip mittels Licht realisiert werden, was Vorteile bei der Wärmeentwicklung verspricht. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet Intel eine optischen Schicht, die von außen durch einen Laser mit Licht versorgt wird. Über Modulatoren kann ein konventioneller, elektrischer Chip, auf dem sich die optische Schicht befindet, den Lichtfluss verändern und so Signale generieren. Über Glasfasern werden diese auf andere Chips übertragen, ohne dass die Gefahr von elektromagnetischen Störungen besteht. Im Empfängerchip sorgt eine vergleichbare optische Schicht für die Weiterleitung der Lichtimpulse an die entsprechenden Zielbereiche, wo sie durch Photozellen in elektrische Signale rückgewandelt werden.

Quelle: Intel Indium-Gallium-Arsen und Indium-Antimon Halbleiter sind Silizium deutlich überlegen, waren in der Vergangenheit aber auch sehr teuer. Auch an Materialien für die Chips selbst wird geforscht. So könnten MOSFETs auf Basis von Indium-Antimon-Verbindungen bei gleicher Spannung und Verlustleistung einen mehr als doppelt so hohen Takt erreichen, wie Chips aus gestrecktem Silizium. Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiter haben in Laborversuchen sogar Taktfrequenzen von über 400 Gigahertz bei Spannungen erreicht, bei denen konventionelles Silizium kaum 150 Gigahertz ermöglicht - und das ohne eine höhere Wärmeentwicklung.

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Für kommende Produkte forscht Intel unter anderem an mehrschichtigen Chips, Halbleitern auf Indium-Basis und optischen Elementen für die Verbindung zwischen, aber auch auf Chips.

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