CPU-Fertigungsverfahren

Fertigungsverfahren von Prozessoren (Nanometer-Technologie)

Das Fertigungsverfahren beschreibt die Größe der kleinsten Strukturen auf einem Prozessor, insbesondere der Transistoren. Diese Größenangaben werden typischerweise in Nanometern (nm) angegeben und sind ein wichtiger Faktor für Leistung, Effizienz und Transistordichte moderner CPUs und GPUs.

Was ist ein Nanometer?

Ein Nanometer (nm) ist eine Einheit der Länge und entspricht einem milliardstel Meter:

1 nm = 0,000000001 m = 10⁻⁹ Meter

Zur Einordnung:

• Ein menschliches Haar ist etwa 80.000–100.000 nm dick.
• Ein DNA-Strang hat ungefähr 2 nm Durchmesser.
• Moderne Transistorstrukturen sind nur wenige Nanometer groß.

Damit beschreibt der Nanometerbereich extrem kleine Strukturen, wie sie in der Halbleiterfertigung verwendet werden.

Was bedeutet „Nanometer“?

Früher entsprach der Nanometerwert annähernd der tatsächlichen Gate-Länge eines Transistors. Heute ist der Wert eher ein Marketing- und Generationenbegriff, weil moderne Fertigungsprozesse extrem komplex sind und keine einzelne Struktur exakt dieser Größe entspricht.

Trotzdem gilt weiterhin:

• kleinere „nm“-Angaben stehen für technisch fortschrittlichere Fertigung
• sie erlauben mehr Transistoren auf derselben Fläche
• sie verbessern Effizienz und Leistung

Auswirkungen der Strukturgröße

Je kleiner die Strukturgröße, desto besser sind in der Regel:

1. Energieeffizienz

Kleinere Transistoren benötigen weniger Spannung und schalten mit weniger Verlusten. → weniger Stromverbrauch, längere Akkulaufzeiten, weniger Abwärme

2. Transistordichte

Mehr Transistoren können auf gleicher Fläche platziert werden. → komplexere CPU-Architekturen, größere Caches, mehr Kerne

3. Leistung pro Watt

Durch geringere Leckströme und schnellere Transistorschaltzeiten steigt die Effizienz erheblich. → moderner 5-nm- oder 3-nm-Prozessor sind deutlich effizienter als ein 14-nm-Modell

4. Taktfrequenzen

Moderne Verfahren erlauben höhere oder stabilere Taktraten bei gleichen Temperaturen. → insbesondere wichtig für Turbofrequenzen und mobile Systeme

Historische Entwicklung (vereinfacht)

Generation	Strukturgröße (typisch)	Beispiele
Frühere Fertigung	90 nm – 45 nm	Intel Core 2 Duo (65 nm), AMD Athlon 64 (90 nm)
Übergang zur modernen Fertigung	32 nm – 14 nm	Intel Core i7-2600K (32 nm), Ryzen 1000 (14 nm)
Moderne Generationen	10 nm – 5 nm	Intel 10 nm, AMD Ryzen 5000 (7 nm), Apple M1 (5 nm)
High-End / aktuelle Entwicklung	4 nm – 3 nm	Apple M3 (3 nm), AMD Zen 5 (4 nm)

Wichtige Hersteller

TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)

• führend bei 7 nm, 5 nm und 3 nm
• fertigt Apple, AMD, Nvidia und viele andere Chips

Intel

• entwickelt eigene Fertigungsbezeichnungen (Intel 7, Intel 4, Intel 3)
• arbeitet an neuen Techniken wie RibbonFET und PowerVia

Samsung Foundry

• konkurriert vor allem bei 7 nm, 5 nm und 3 nm
• fertigt u. a. mobile Prozessoren und GPU-Komponenten

Technische Herausforderungen

Je kleiner die Struktur, desto schwieriger wird die Produktion:

• Leckströme steigen (Elektronen „fließen durch“)
• Hitzeentwicklung im Verhältnis zur Fläche
• Ausbeute (Yield) sinkt bei sehr kleinen Strukturen
• EUV-Lithografie (extrem ultraviolettes Licht) wird zwingend benötigt
• Produktionskosten explodieren (Fabs kosten Milliarden)

Diese Herausforderungen erklären, warum nur wenige Unternehmen überhaupt in der Lage sind, modernste Fertigungstechnologien zu beherrschen.

Bedeutung der EUV-Lithografie

Moderne Fertigungsverfahren ab ca. 7 nm nutzen die EUV-Lithografie (Extreme Ultraviolet). Sie ermöglicht extrem feine Strukturen mit Licht im Bereich von 13,5 nm Wellenlänge.

EUV ist entscheidend für:

• geringere Strukturdimensionen
• höhere Präzision
• weniger Fertigungsschritte
• bessere Energieeffizienz

Zukunft: Unter 3 nm

Die nächsten Schritte beinhalten:

• 2 nm (TSMC, Samsung, Intel in Entwicklung)
• Gate-All-Around (GAAFET) – neue Transistortechnik
• Nanosheet-Designs
• 3D-Chip-Stacks (Chiplets, interposer-basiert)

Diese Technologien ermöglichen:

• noch höhere Dichte
• niedrigeren Energieverbrauch
• bessere Parallelisierung

Warum die Nanometer-Zahl nicht mehr wörtlich gemeint ist

Früher entsprach die Angabe der tatsächlichen Gate-Länge eines Transistors. Heute ist sie ein **technischer Generationenname**, ähnlich einer „Chipfamilie“.

Beispiel:

• TSMC „7 nm“ ≠ Intel „7 nm“
• verschiedene Hersteller → verschiedene Definitionen
• keine einzelne Struktur ist tatsächlich exakt 7 nm groß

Trotzdem dient die Angabe weiterhin als **Vergleichswert der Technologie-Generation**.

Kurzmerksatz

Das Fertigungsverfahren beschreibt die Größe der Transistorstrukturen eines Chips. Kleinere nm-Werte bedeuten mehr Transistoren, höhere Effizienz und mehr Leistung, auch wenn die Zahl heute eher ein Generationenbegriff ist.