Roadmap der Mikroelektronik – eine Schlüsseltechnologie

Die Entwicklung der Elektronik war geprägt von mehreren Übergangsphasen, in welchen eine aktuelle Technologie von der nächsten Generation abgelöst wurde. Bis in die 1950er-Jahre dominierte die Vakuumröhre, sie wurde in den folgenden Jahrzehnten abgelöst von diskreten Halbleiterbauelementen, niedrig- und mittelintegrierten Standard-ICs und schliesslich von hochintegrierten ICs (Mikroprozessoren, Speicher und kundenspezifische Bausteine).

Technologiegenerationen der Mikroelektronik.

Integrierte Schaltungen (ICs) sind seit 40 Jahren einem stetigen Miniaturisierungsprozess unterworfen, der von der Elektronik zur Mikroelektronik und in jüngster Zeit zur Nanoelektronik führte. Die Miniaturisierung der Strukturgrössen und die damit zusammenhängende Erhöhung der Schaltfrequenz unterliegt einer exponentiellen Gesetzmässigkeit, die 1965 von Gordon Moore postuliert worden ist und die erstaunlicherweise ihre Gültigkeit über 40 Jahre behalten konnte. Sie ist als "Moore'sches Gesetz" bekannt geworden und lautet in knapper Form: Verdoppelung der Anzahl Transistoren eines ICs alle eineinhalb Jahre. Die Entwicklung erfolgte in quantisierten Schritten, die von der Mikroelektronikindustrie bedingt durch die Produktionstechnologie standardisiert wurde und als "Roadmap der Mikroelektronik" bekannt ist.

Entwicklung der Strukturgrösse in den Standard-Technologien der Mikro- und Nanoelektronik.

Entwicklung der Anzahl Transistoren und der Schaltfrequenz am Beispiel der Mikroprozessoren des führenden Herstellers Intel Corporation.

Die Schaltfrequenz verdoppelt sich in rund zwei Jahren und führt zusammen mit der zunehmenden Komplexität des Rechenwerks zu einer noch grösseren Steigerung der Rechenleistung von Mikroprozessoren und Computern. Der skizzierte technische Fortschritt hatte auch eine enorme wirtschaftliche Entwicklung eingeleitet: die Kosten pro Transistor sanken mit einer vergleichbaren oder noch grösseren Rate; dies führte dazu, dass die Kosten von State-of-the-Art Mikroprozessoren und Speicherbausteinen im langjährigen Mittel bei laufend gesteigerter Leistung eine sinkende Tendenz aufweisen.

Seit Beginn der Mikroelektronik wurde ihr absehbares Ende oder die Abschwächung ihrer Entwicklung und damit das Ende der Gültigkeit des "Moore'schen Gesetzes" prognostiziert. Begründet wurde dies vor allem mit den Grenzen der optischen Lithographie und damit, dass die Transistoren sich atomistischen Dimensionen annähern, die deren Funktionsprinzip fraglich werden lässt. Diese Prognosen haben sich immer wieder als falsch erwiesen und es kann angenommen werden, dass in den nächsten Jahren die Entwicklung weitergehen wird. Langfristig werden aber grundlegende physikalische Grenzen wirksam werden; es ist aber auch möglich, dass wirtschaftliche Faktoren (stetig steigende Investitionskosten für die Produktionsausrüstung, Aufwand für Forschung und Entwicklung) die Steigerungsrate verlangsamen werden.