Suchen
Verloren im Labyrinth der IT-Begriffe? Hier finden Sie Definitionen und Basiswissen zu Rechenzentrums-IT und -Infrastruktur.

Chips, eine Grundkomponente digitaler Datenverarbeitung Was ist eigentlich ein Chip?

| Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Chips sind allgegenwärtige Bestandteile digitaler Systeme. Ohne sie gäbe es weder Großrechner noch Smartphones. Doch was bedeutet dieser Begriff genau?

Firma zum Thema

Chips sind auf Siliziumsubstrat mittels photolithographischer Verfahren aufgebrachte elektronische Schaltungen.
Chips sind auf Siliziumsubstrat mittels photolithographischer Verfahren aufgebrachte elektronische Schaltungen.
(Bild: © djama - stock.adob.com)

Das Innenleben jedes digitalen Geräts besteht zu großen Teilen aus Chips. Ein Chip ist ein kleines Stück Halbleiter-Trägermaterial - mit vielen darauf aufgebrachten Schichten -, das eine dezidierte digitale Funktion oder eine Reihe von Funktionen realisiert.

Daher spricht man auch von integriertem Schaltkreis. Die Chips werden anschließend auf Leiterplatten gelötet, gesteckt oder geklebt und durch leitende Bahnen verbunden.

In den meisten Fällen ist das Grundmaterial Silizium, in manchen Spezialfällen, beispielsweise im Mobilfunk, werden auch Schaltkreise aus Galliumarsenid oder anderen halbleitenden Materialien benutzt.

Produktion: Nur im Reinraum möglich

Produziert werden Chips in hochreinen Räumen und mit absoluter Exaktheit, da sie sonst nicht funktionieren. Das Silizium wird dafür in Scheiben, so genannten Wafern, angeliefert.

Deren Durchmesser hat sich im Lauf der Jahre vergrößert. Größere Wafer, üblich sind heute Durchmesser von 30 Zentimeter, erlauben es, mehr Chips auf ihnen unterzubringen und verringern so beispielsweise Produktionsabfälle.

Chips aller Art werden in Reinräumen produziert, da schon kleinste Verunreinigungen durch Staubpartikel oder Aerosole die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.
Chips aller Art werden in Reinräumen produziert, da schon kleinste Verunreinigungen durch Staubpartikel oder Aerosole die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.
(Bild: Intel)

Anschließend bringt man mittels photolithographischer Verfahren in kleinsten Bereichen mehrere Schichten auf oder ätzt zunächst kleine Vertiefungen ins Silizium. So entsteht Schritt für Schritt jede einzelne Komponenten der geplanten Schaltung, Auch chipinterne Verbindungen werden so hergestellt.

Der Transistor

Weil sich die Fertigungstechnologien immer weiter verfeinert haben, ist es heute möglich, weitaus mehr Chips auf einem Wafer und weitaus mehr Funktionen auf einem Chip zu integrieren als anfangs. Die Basiskomponente der Schaltungen ist dabei in der Regel ein Transistor. Modernste Prozessoren haben zweistellige Millionenzahlen an Transistoren, was eine enorme Komplexität darstellt.

Um die Feinheit des Designs zu beschreiben, wird die Strukturbreite verwendet. Sie misst die kleinste durch den Plotter auf dem Substrat darstellbare Kantenlänge. Bei modernsten Verfahren liegt sie unter 10 Nanomter

Die aktuellen Prozessoren „A12“/„A13“ von Apple verwenden 7 Nanometer; der Nachfolger „A14“ soll nur noch 5 nm benötigen. Intel verwendet derzeit 14-nm-Prozesse, strebt aber natürlich ebenfalls nach unten.

Das Moore‘ sche Gesetz

Das so genannte Mooresche Gesetz geht davon aus, dass sich durch technologische Fortschritte die Zahl der Transistoren pro Fläche rund alle 18 Monate verdoppelt. Die Einhaltung dieses „Gesetzes“ ist wichtig für die Ökonomie der Chip-Produktion. Denn je kleiner die Strukturbreite, desto mehr Transistoren können auf der Chipfläche untergebracht werden.

Allerdings sind der Verdichtung zumindest der siliziumbasierten Chips mutmaßlich Grenzen gesetzt, weil irgendwann die Physik nicht mehr mitspielt: Aus atomphysikalischen Gründen verlassen die Elektronen, wenn die Distanz zur Nachbarstruktur zu gering wird, die vorgesehenen Bahnen. Daher wird mehr Ausschuss produziert, je kleiner die Struktur ist.

Viele Varianten

Chips lassen sich in unterschiedliche Kategorien ordnen. Beispielsweise kann man sie nach der Funktion (Prozessoren, Speicherchips, Netzwerkchips, KI-Chips...) ordnen. Eine andere Möglichkeit ist die Produktionsweise: massenweise hergestellte Standardchips, für einen besonderen Kunden in kleineren Mengen hergestellte applikationsspezifische Schaltkreise (ASICs) oder Chips, die teilweise reprogrammierbar sind.

Ein Beispiel dafür sind EEPROMs, also elektrisch lösch- und reprogrammierbare Nur-Lese-Speicher. Auch, anhand der verwendeten Materialien ist eine Charakterisierung möglich (Siliziumchips Galliumarsenid-Chips und so weiter).

Abschied von den Halbleitern?

Gemeinsam ist allen Chips aber die Verwendung von Halbleitern, Materialien, die zwischen den Zuständen leitend und nicht leitend wechseln können.

Weitere Fortschritte in der Chipproduktion im Sinne einer noch engeren Integration werden von nanotechnischen Verfahren erwartet. Vielversprechend scheinen auch Biochips als Speicher, die sich gänzlich von Halbleitern als Grundmaterial verabschieden. Bei ihnen werden Daten in DNA-Molekülen gespeichert werden.

(ID:46715025)

Über den Autor

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger