Am Rande des Richtfests für das neue Fertigungswerk von AMD in Dresden traf ZDNet den Ministerialrat Dr. Manfred Dietrich, Leiter des Referats für Nanoelektronik und –systeme mit Sitz in Bonn. Gemeinsam warf man einen Blick auf die kommenden Technologieentwicklungen.
ZDNet: Herr Dr. Dietrich, wir sitzen hier auf dem Werksgelände von AMD in Dresden und warten auf das Richtfest für das neue Fertigungswerk. Wenn Sie sich die hier gemachten Fortschritte betrachten: Wo geht die Entwicklung in der IT-Branche hin?
Dietrich: Man macht sicherlich einen Fehler, wenn man nur immer von höheren Taktraten und höheren Frequenzen spricht, ohne die Visionen aufzuzeigen, die dahinter stehen. Die Vision dahinter ist nämlich, dass die IT-Systeme, die dem Menschen helfen sollen, heute in höchstem Maße unzulänglich sind. Beispiel Internet: Der Nutzer kommt nach dem Start einer Suchabfrage sehr schnell in einen verwirrenden Dschungel, in einen Datensalat, der ihm letztlich nichts nützt. Natürlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem anzugehen: auf der einen Seite kann man nicht von der Gesellschaft erwarten, dass sich jeder zum IT-Experten entwickelt. Man muss aber auf der anderen Seite versuchen, die digitale Spaltung der Gesellschaft zu vermeiden. Folglich müssen die Systeme sehr tolerant werden, was die Kenntnisse des Nutzers angeht. Das ist der eine Ansatzpunkt.
ZDNet: Was ist der andere?
Dietrich: Der andere ist, dass man die Systeme dazu bringen muss, das einmal eingegebene Nutzerprofil inklusive Bildungsgrad zu nutzen, um aus der im Internet vorhandenen Datenfülle die für den Anwender relevanten Informationen herauszuziehen. Es faltet dann die Datenmenge einerseits mit den persönlichen Interessen des Nutzers andererseits. Es gibt dann sicherlich ein Nutzerprofil, das der Anwender als Privatmensch angelegt hat sowie ein Nutzerprofil, das ihn von seinem Business-Verhalten her ausweißt. Wenn er dann eine Anfrage startet, geht das System intelligent damit um. Um das aber zu realisieren, muss man sowohl im Hard- als auch Softwarebereich eine ganze Menge machen. Das bedeutet in erster Linie Komplexitätssteigerung: Die von den Prozessorenexperten weltweit ausgegebene Roadmap zeigt uns, dass wir etwa 2010 rund eine Milliarde Transistoren auf einem Chip finden werden. Das ist kein Selbstzweck - man würde es gerne mit 10.000 Transistoren machen, wenn's nur ginge, aber man braucht die Milliarde, um der Komplexität der Prozesse gerecht werden zu können.
Um jetzt aber zehn Milliarden Transistoren mit Strom zu füttern, braucht man mehr als ein herkömmliches tragbares Gerät. Ein handelsüblicher Handheld mit einer Lithium-Ionen-Batterie kann ein solches System nicht mit Energie versorgen. Schon unter diesem Gesichtspunkt ist man gezwungen, den Stromverbrauch pro Logikoperation oder pro Speicherbit deutlich zu reduzieren. Heute haben Sie auf einem Chip rund 130 Millionen Transistoren, in sechs Jahren werden Sie etwa zehn Mal so viele vorfinden – daraus ergibt sich, dass - wenn man mit den gleichen Akkus auskommen will - der Stromverbrauch pro logischer Operation um den Faktor zehn runter muss. Das wissen die Betroffenen und arbeiten auch vehement an einer Lösung. Leider sind die Fortschritte bei Akkus im Bezug auf Leistung pro Gewicht verhältnismäßig zäh. ZDNet: Die Frage war ursprünglich, wo die Entwicklung in der IT-Branche hingeht?
Dietrich: In der Lithografie werden die nm-Strukturen von 130 auf 110 auf 90 auf 65, 45 und schließlich 30 schrumpfen. Das eben beschriebene Problem ist die Triebfeder dahinter, das ist die innere Logik der Prozessorenschmieden, über die die Experten selten reden, weil es ihnen so in Fleisch und Blut übergegangen ist, dass sie es gar nicht mehr aussprechen. Dabei ist das paradox: Der Nutzer will ja gar keine Komplexität, die Natur zeigt es uns doch – sehen Sie sich nur Mal die Symmetrien der Elementarteilchen an: Wie simpel unsere Welt aufgebaut ist! Wie hochsymmetrisch beispielsweise Quarks sind, und aus wie wenigen Bauteilen die Natur aufgebaut ist! Oder denken Sie an die DNS mit ihren vier Bausteinen, die extreme Komplexitäten ausbildet. Die Natur macht uns also vor, dass es die einfachen Lösungen sind, die sich durchsetzen. Einem bestimmten vorgegebenen Problem mit der einfachsten Lösung zu begegnen ist das Kunststück, nicht einem komplexen System eine komplexe Lösung entgegenzusetzen. Das ist alles andere als erstrebenswert – aber trotzdem: Es müssen die technischen Voraussetzungen geschaffen werden, damit es für den Nutzer einfach wird. Das System wird dann zum guten Freund, der die Bedürfnisse des Nutzers kennt. Er liefert mir die Information, die ich vorher in dürren Worten erfragt habe. Er hält mir auch Spam-Mails vom Hals. Das System weiß, wann ich Freizeit habe und wann ich Business mache, entsprechend wird eine Mail zugestellt oder nicht. Das ist unsere Vision von einer intelligenten IT.
ZDNet: Was kann der Nutzer noch erwarten?
Dietrich: Wenn man in der Chipfertigung Strained Silicon einsetzt, dann hat man bei Anwendungen zwei Möglichkeiten: Entweder ich spiele die hohe Frequenztauglichkeit aus, bei Radar etwa, was allerdings einen extremen Stromverbrauch mit sich bringt. Oder ich mache meine Anwendung möglicherweise zwar Frequenz-tauglich, nutze aber trotzdem nur niedrige Frequenzen, trotzdem nur 2 oder 5 GHz. Dann wird Strained Silicon zum Stromsparen eingesetzt. Ich nutze die Frequenztauglichkeit nicht aus und habe gegenüber dem nicht-gestrainten Silizium bei der gleichen Funktionalität einen wesentlich geringeren Stromverbrauch. Das hängt jeweils von der Applikation ab: Wenn ich einen Laptop lange nutzen will, dann werde ich Strained Silicon verwenden. Ich habe dann die Möglichkeit, den Laptop vielleicht fünf Mal so lange wie bisher zu nutzen, bevor er schlapp macht. ZDNet: Kann Deutschland in diesem Markt ein Wörtchen mitreden?
Dietrich: Auf jeden Fall! Am 22. Juni werden wir beispielsweise in Freiberg, ganz in der Nähe von Dresden, die volle Inbetriebnahme von einer 300 Millimeter Wafer-Fabrik von Wacker Siltronic feiern. Da wird natürlich auch meine Ministerin dabei sein. Ich glaube, das Werk ist das größte in Europa, möglicherweise sogar die einzige in Europa, da müsste ich aber nachsehen. Siltronic ist der weltweit drittgrößte Wafer-Hersteller, die ersten zwei sind Japaner. Künftig wird auf den Siltronic-Wafern eine Deckschicht aus gestraintem Silizium aufgetragen sein. Das hat ja eine lange Historie: Erst hat man einen Silizium-Wafer, der wird mit einem raffinierten Verfahren behandelt, um Silizium in seiner gedehnten Form aufbringen zu können. Damit können die Hersteller dann Chips mit höheren Frequenztauglichkeiten aber niedrigerem Stromverbrauch entwerfen. Heute stellt Siltronic dort herkömmliche Wafer her, am 3. Dezember wurde der erste 300 mm-Einkristall in Wafer gesägt. Die kommen bei Power MOS-Elektronik für Automobile zum Einsatz, wie sie zum Beispiel Infineon mit Cool MOS macht. Aber das ist ja nur ein weiterer Schritt, der nächste wird es sein, gestraintem Silizium und SOI auf dem Wafer anzubieten. Silizium ist ohne Zweifel in Materie gegossene Intelligenz und hält immer wieder Überraschungen bereit.
ZDNet: Was hilft die größte Rechenleistung, wenn sie keine Energie zur Verfügung hat? Lange Zeit wurden Brennstoffzellen als Energiequelle der Zukunft gehandelt. Sie haben sicher einen Überblick: Waren die Hoffungen berechtigt?
Dietrich: Das ist sicherlich eine hochinteressante Alternative, aber Brennstoffzelle ist nicht gleich Brennstoffzelle: Es gibt ja Niedrig- und Hochtemperatur-Brennstroffzellen. Die für den Endanwender interessante Variante ist die mit Ethanol.
ZDNet: Bei ZDNet war eine Zeit lang von 'besoffenen Handys' die Rede.
Dietrich: Genau. Das ist eine interessante Alternative, mit der man längere Standby-Zeiten als bei Lithium-Ionen-Akkus hinbekommt. Aber, das ist meine ganz persönliche Ansicht, ich habe Bedenken, ob das von Flugzeugfirmen geduldet werden wird. ZDNet: ...wenn jemand mit einem solch explosiven Gerät auf einen Flug eincheckt.
Dietrich: Genau. Mit einem Fläschchen Ethanol könnte man spielend ein solches Flugzeug in Brand setzen. Das sind ärgerliche Nebeneffekte, die unter Umständen den Tod einer Technologie bedeuten. Technisch gesehen ist es aber faszinierend, gerade wenn Sie sich die Entwicklung der Energiedichte pro Masse von der Bleibatterie über Nickel-Kadmium zu NiMh (Nickel-Metallhydrit) bis zu Lithium-Ionen und nun Ethanol betrachtet. Im Lithium-Ionen-Akku selbst ist jedenfalls nicht mehr viel Spielraum für Entwicklungen drin. Dabei ist die Entwicklung in diesem Bereich, so faszinierend sie sein mag, vergleichsweise bescheiden: Die Kosten pro Bit haben sich in den vergangenen Jahren um den Faktor eine Million verringert, ein Bit ist also nur noch ein Millionstel so teuer wie noch vor rund 30 Jahren. Bei Batterien haben wir nur eine Reduktion um den Faktor zehn. Batterien sind ein schweres Problem.
ZDNet: Wie kann denn die Nanoelektronik, Ihr Spezialgebiet, dazu beitragen, dass die von Ihnen geschilderten Entwicklungen tatsächlich eintreffen?
Dietrich: Die Nanoelektronik hat eine sehr schöne Eigenschaft, die Physiker nennen sie den McMurphy-Effekt: Wenn Sie irgendein Material entwickeln und in eine bestimmte Richtung trimmen, dann machen Sie das auf Kosten irgendeines anderen Entwicklungsparameters. So ist es auch in der Technik: Wenn Sie etwas schlanker machen, wird es an einer anderen Stelle dick oder brüchig oder irgendwas. In der Elektronik ist es aber so, dass sich McMurphy gnädig zeigt. Wenn Sie Silizium kleiner machen, dann nimmt keine Eigenschaft ab, im Gegenteil. Wenn Sie zum Beispiel von 180 µ auf 90 µ gehen, dann sind die intrinsischen Werte, also was Silizium für eine Grenzfrequenz hat oder irgendwelche Taktraten, sogar im Steigen begriffen! Wenn Sie also in diese Richtung gehen, verbessern sich die Eigenschaften. Nanoelektronik sorgt also fast automatisch dafür, dass sich Taktraten erhöhen. ZDNet: Glücklicherweise ist Deutschland auf diesem Gebiet weltweit ganz vorne mit dabei. Finden sich auch im 'Silicon Saxony' industrielle Ansiedlungen, die mit dieser Materie beschäftigt sind?
Dietrich: Mit Infineon und AMD haben wir zwei Weltfirmen, die das natürlich machen. Die nennen das nicht unbedingt Nanoelektronik, offenbar ist das wohl eher ein politisches Modewort, aber faktisch machen tun die das schon seit Jahren. Infineon bewegt sich bereits bei 90 nm und hat damit die Volumen-Produktion aufgenommen. Die bewegen sich damit also schon im Mainstream, ohne das sie großes Aufheben drum machen. Vorsichtig sein muss man allerdings mit dem Begriff 'weltweit führend'. Diese Technologien sind so teuer, dass man sich weltweit abstimmt: Quartalsmäßig stimmen die Hersteller ihre Roadmaps ab, weil man wegen der immensen Kosten etwa für Lithografiemaschinen keine eigenen Maschinen entwickeln kann. Nicht einmal Intel könnte das. Gegen alles Konkurrenzdenken hat also die Vernunft gesiegt, und man stimmt sich im Hinblick auf die Entwicklungsschritte laufend ab. Dieser Umstand führt allerdings auch zu einer Synchronisation der Firmen: 90 nm machen eben mittlerweile viele Firmen, ob das Texas Instruments ist, ob Intel, IBM oder AMD, ganz zu schweigen von den Koreanern und Japanern. Die werden gleich gehobelt. Die Differenzierung geschieht an anderer Stelle, indem man etwa ein Patent einreicht, um Flash ganz besonders hinzukriegen. Man kann in dieser Branche die Nase maximal ein Jahr heraus strecken.