Montag , 5. Dezember 2022
Anzeige
Ein Arbeiter in der Intel-Fabrik in Kiryat Gat im Süden Israels. Quelle: imago/Xinhua

Wunderwerk Mikrochip

Haifa/Frankfurt. Daniel Benatar gehört zu den Menschen, die das Staunen nicht verlernt haben. Dreierlei sei für ihn magisch: „Wie die Flugzeuge fliegen können, wie ein Kind im Mutterleib entsteht und wie Computerchips gefertigt werden“. Dabei befasst er sich mit Letzterem seit fast 30 Jahren. Der grauhaarige Israeli gehört beim Technologiekonzern Intel zur globalen Führungsriege der Fertigungsmanager. „Mit jedem Tag bin ich aufs Neue von dem fasziniert, was in der Fab geschieht“.

Fab, das ist die Abkürzung für „Semiconductor fabrication plant“, zu deutsch Halbleiterwerk. Für Benatar fing alles mit der ersten israelischen Intel-Fab in Jerusalem an. Heute fertigt der Konzern in Kiryat Gat nahe Tel Aviv seine Hochleistungsprozessoren. Der Weg zu dem Ort, wo die Magie geschieht, führt über lange Gänge, deren Wände mit Sinnsprüchen verziert sind. Zum Beispiel: „Every die wants to live“ – „Die“ ist der Fachbegriff für die Vorstufe von Chips.

Benatars Branche macht von sich reden. Sie hat in den vergangenen knapp zwei Jahren die vielleicht heftigsten Turbulenzen ihrer Geschichte erlebt. Zuerst die Pandemie-Lockdowns, die die Nachfrage nach PCs für das Homeoffice und nach elektronischen Unterhaltungsgeräten in neue Höhen schießen ließ. Als dann die Konjunktur wieder ansprang, fehlte es vor allem in der Autobranche massiv an Mikroprozessoren. Von einer globalen Chipkrise war plötzlich die Rede.

Inzwischen hat sich das Blatt gewendet. Experten gehen davon aus, dass die Branche in eine ihrer größten Krisen hineinlaufen könnte. Das hat viel mit den Besonderheiten dieser Industrie zu tun, die schon immer mit Trägheitsmomenten zu tun hatte: Es ist enorm schwer, Angebot und Nachfrage übereinander zu bekommen, da die Herstellung der Halbleiter extrem langwierig und aufwendig ist.

Wer verstehen will, woran das liegt, muss sich die Innereien einer Chipfabrik anschauen: Der Prozess, der Fertigungsmanager Benatar so fasziniert, geschieht in Kiryat Gat einem fensterlosen Gebäudeteil, der in gelbliches Licht getaucht ist. Ohne Spezialkleidung darf niemand hinein: Overall, „bunny suit“ (Häschenkostüm) genannt, große Kapuze, Schutzbrille, Labor-Boots, und zwei paar Handschuhe übereinander. Es handelt sich um einen Reinraum, der tausendmal sauberer sein soll als ein Operationssaal. Das ist nötig, denn selbst winzigste Staubpartikel können einem „Die“ den Garaus machen.

Im gelben Licht des Allerheiligsten kann von stiller Andacht aber keine Rede sein. Der Geräuschpegel ist beachtlich. Das hängt mit der komplexen Lüftung zusammen, die ständig einen leichten Unterdruck erzeugt. Und mit dem Transportsystem unter der Decke. Trolleys in der Größe von Umzugskartons sausen hin und her. Gelegentlich halten sie an und seilen ein durchsichtiges Gefäß im Format eines großen Kochtopfs ab. Das Gefäß dockt sich an eine Maschine an, um glänzende Scheiben abzuliefern. Das geschieht automatisch, wie alles in Chipfabrik vollautomatisiert ist.

Was da passiert? Das lässt sich am einfachsten mit Küchen-Englisch erläutern. Die Bezeichnung „Die“ geht auf das englische „slice and dice“ zurück, was nichts anderes als schnippeln bedeutet. Im Prinzip funktioniert das wie bei einer Gurke, die erst in Scheiben und dann in Würfel geschnitten wird. Ein Würfelchen ist ein „Die“.

Und was am Anfang des Prozesses steht, kann man mit etwas Phantasie tatsächlich mit einer überdimensionalen Gurke vergleichen. Sie besteht aber aus reinem Silizium, das durch das Schmelzen von Quarzsand gewonnen wird. Daraus werden dünne Scheiben geschnitten mit einer Stärke von einem Millimeter und mit einem Durchmesser, der in Kiryat Gat und vielen anderen Chipfabriken 30 Zentimeter beträgt. Um im Küchenjargon zu bleiben: Die glänzende Siliziumscheibe wird „Wafer“ (deutsch: Waffel) genannt, obwohl sie so etwas wie der Boden einer Schichttorte ist, die aber nicht nur vier oder fünf, sondern beim Computerchip Hunderte von Schichten hat. Manche sind nur wenige Lagen von Atomen stark.

Wer Benatar oder andere Intel-Beschäftigte fragt, wie viele Arbeitsschritte es braucht, bis aus der Waffel ein ausgewachsener Chip geworden ist, bekommt die freundliche, aber immergleiche Antwort: „hundreds“ – Hunderte. Und wie lange dauert der Vorgang? Antwort: „several weeks“ – mehrere Wochen. Details werden nicht verraten, weil das Rückschlüsse auf Fertigungsprozesse ermöglichen könnte, und die sind streng gehütete Betriebsgeheimnisse.

Insider zufolge dauert es bis zu drei Monate, obwohl im gelben Reinraum alles mit Hochgeschwindigkeit passiert – was eine Ahnung davon gibt, wie komplex der Aufbau eines Computerchips sein kann. Dabei geht es im Wesentlichen um Transistoren, elektronische Ein-Aus-Schalter, die so klein sind, dass sie mit bloßen Augen nicht zu erkennen sind. Diese sind mit Leiterbahnen verbunden, für die Silizium ein hervorragendes Medium ist, da es zwischen Stromleiten und Nichtstrom extrem schnell wechseln kann.

Um dies in mikroskopisch kleinen Strukturen aufzubauen, werden auf den Wafern – stark vereinfacht formuliert – nacheinander Hunderte von Schichten aus leitenden und nicht-leitenden Materialen aufgebracht. Der wichtigste Arbeitsschritt ist dabei aber die sogenannte Lithografie: Mittels lichtempfindlichem Lack, extrem energiereichem Licht und Chemikalien werden feine Muster mit Erhöhungen und Vertiefungen auf den Wafer geätzt, die zu integrierten Schaltkreisen werden. „Und alles wird miteinander verbunden“, sagt Daniel Benatar.

Eine seiner Kolleginnen macht beim Reinraumrundgang auf die Maschine aufmerksam, auf der in großen Buchstaben der Name der niederländischen Firma ASML steht. Das sei die mit Abstand teuerste Gerätschaft in der Fabrik. Wie viel sie gekostet hat, verrät sie natürlich nicht. Nur so viel: Es gebe eine größere Zahl von Ingenieuren, die für nichts anderes zuständig seien, als deren Funktionsfähigkeit sicherzustellen: Der Waferscanner, der mit dem kurzwelligen Licht die winzigen Strukturen auf die Siliziumscheiben projiziert.

Die Präzision, mit der die Maschine arbeitet, bewegt sich im Nanometer-Bereich – einige millionstel Millimeter sind entscheidend. Für den Menschen ist diese Genauigkeit nicht mehr vorstellbar. Die Intel-Leute erklären sie mit einem Beispiel: Der Scanner müsse so genau sein, als wolle man mit einem Laserpointer vom Mond aus den Fingernagel eines Menschen auf der Erde treffen. Die niederländische Firma ASML hat ein globales Monopol, ihren präzisen Apparaturen kosten bis zu 300 Millionen Euro und gehören damit zu den teuersten Maschinen der Welt.

Sind die Wafer mehrfach im Scanner taktiert worden, sind mehrere Hundert „Dice“ entstanden, die dann zu „Chips“ zersägt werden. Ein Prozessor ist entstanden.

Ohne Mikrochips funktioniert in der modernen Hightechwelt nichts mehr, im Gegenteil. Alles, was gerade angesagt ist, verlangt nach extremer Rechenleistung: virtuelle Realitäten, künstliche Intelligenzen, die 5G-Mobilfunktechnik. In einem einzigen iPhone werkeln mehr als sieben Milliarden Transistoren. Noch viel mehr Prozessorpower benötigt das autonome Fahren. Jenseits der 80 Stundenkilometer wird es derzeit problematisch mit dem Autopiloten, obwohl in modernen Bordcomputern pro Sekunde mehr als 1000 Milliarden Rechenschritte möglich sind.

Um den weltweiten Hunger nach Rechenleitung zu lindern, arbeiten die Chiphersteller an immer neuen Prozessoren. Intel etwa hat für den 27. September zu einem „Innovation-Event“ eingeladen. Es gilt als sicher, dass dort eine neue Generation von Hochleistungschips mit dem Codenamen „Raptor Lake“ vorgestellt wird.

Und auch für das kommende Jahr ist die Produktpipeline gefüllt. „Die nächste Chip-Generation heißt Meteor Lake und wird einen weiteren großen Schritt bringen“, sagt Intel-Managerin Karin Eibschitz-Segal dem RND.

Schritt nach vorne, das heißt in der Chipindustrie noch leistungsfähiger, noch effizienter und vor allem noch kleiner. Derzeit liegt das Minimum bei sieben Nanometern. Zwei Nanometer sind das vorläufige Ziel, Bauteile sind dann so groß wie etwa zehn Atome. Die Verkleinerung erhöht nicht nur die Leistung bei gleicher Chip-Größe extrem. Zugleich sinkt der Stromverbrauch deutlich, und es entsteht weniger Abwärme.

Allerdings könnte mit zwei Nanometern dann auch eine Grenze physikalische erreicht werden. Das Schalten mit den Transistoren könnte instabil werden, weil sich die Elektronen nicht mehr so bewegen, wie die Ingenieure es wollen.

Intel-Managerin Eibschitz-Segal ist trotz der Herausforderungen optimistisch. „Wir sind noch lange nicht an den Grenzen angekommen“, sagt sie. Der Wettlauf geht weiter.

Von Frank-Thomas Wenzel/RND