Die Halbleiterindustrie hat in den vergangenen Dekaden vermeintliche Grenzen von Physik und Technologie immer weiter hinausgeschoben: Mit raffinierten Tricks wie Double Patterning, Nass-Lithografie, 3D-Gate-Architekturen, Multikern-Prozessoren und Strukturgenese mittels Extrem-Ultraviolettstrahlen fiel eine unumstößlich geglaubte Nanowelt-Barriere nach der anderen.
Unternehmen wie TSMC und Intel kratzen bald schon an der 2-Nanometer-Strukturmarke. Helfen sollen dabei modernste EUV-Belichter mit hohen Numerischen Aperturen (High-NA) vom niederländischen Ausrüster AMSL – in dessen Anlagen übrigens auch sächsisches Knowhow steckt.

Dennoch ist schon lange klar, dass sich die klassische Halbleitertechnik nicht ewig durch bloße Miniaturisierung linear weiterentwickeln kann. Was gestern noch Science Fiction war, rückt auf der Suche nach Alternativen in greifbare Nähe: Rechner, die ähnlich „gestrickt“ sind wie das menschliche Gehirn, Computer, die nahezu jeden Code knacken können und Ähnliches mehr.
Wir haben uns einige der wichtigsten Computingtrends mal genauer angeschaut und wollen hierbei auch beleuchten, womit sich sächsische Ingenieur:innen und Forscher:innen aktuell beschäftigen.

Neuro-Elektronik: Beim Gehirn abgeschaut

Bis heute dominiert die „Von-Neumann-Architektur“, die Signalverarbeitung und Speicher streng trennt, die Welt der digitalen Computer. Um auf mehr Leistung zu kommen, packen Ingenieur:innen die Bauelemente in diesen Rechnern immer dichter und takten sie immer höher. Die Nachteile sind unter anderem ein hoher Stromverbrauch – der die Akkus künftiger autonom fahrender Elektroautos überfordern könnte – und ein umständliches „Hin- und Herschieben“ von Daten zwischen Recheneinheit und Speicher.
Die Evolution hat sich da ein sparsameres und effizienteres Prinzip „ertüftelt“: Das Gehirn verwendet seine Neuronen gleichermaßen, um Informationen zu speichern und sie zu verarbeiten.

Die Neuronen sind durch analog kommunizierende und veränderliche Synapsen verbunden, wobei die Signale durch Pulse übertragen werden. Die Leitfähigkeit der Synapsen verändert sich ein Menschenleben lang in Abhängigkeit von der Zahl der Auffrischungsimpulse – deshalb vergessen wir einst Gelerntes auch manchmal. Netzstrukturen, die gerade nicht gebraucht werden, regelt das Gehirn im Energiebrauch drastisch herunter. All diese Prinzipien sorgen für Lernfähigkeit, Flexibilität und Energieeffizienz: Manche Aufgabe, die ein menschliches Gehirn binnen eines Wimpernschlages bei einer Leistungsaufnahme von 20 Watt löst, schaffen heutige Digitalrechner oft nur annähernd so gut – und saugen dabei oft 1000 Watt oder mehr.

Neuronale Netze

simulieren diese Gehirn-Prinzipien zumindest teilweise per Software auf klassischen Silizium-Digitalcomputern. Eingesetzt werden sie vor allem für das Training und die Arbeit „Künstlicher Intelligenzen“ (KI). Wenn wir heute zum Beispiel eine Internet-Suchanfrage starten, sinniert im Hintergrund in aller Regel ein neuronales Netz von Google.

Neuromorphe Netze

gehen da schon einen Schritt weiter: Sie formen Gehirnstrukturen – zumindest ansatzweise – auch auf der Hardware-Ebene nach. Hier verbinden sich künstliche Neuronen und Synapsen nach dem Pulsprinzip. Das europäische „Human Brain“-Projekt, an dem die TU Dresden maßgeblich beteiligt ist, hat sich sogar den kompletten Nachbau des menschlichen Gehirns als Ziel gesteckt. In der Praxis sind wir technologisch von diesem Punkt noch ein ganzes Stück entfernt. Bisher dominieren hybride neuromorphe Netze, die zum Beispiel klassische Silizium-Technologien und Konzepte der Natur kombinieren.

Die sächsischen Beiträge

Ein prominentes Beispiel sind die „SpiNNaker“-Supercomputer von Neuromikroelektronik-Professor Christian Mayr von der TUD: Gemeinsam mit britischen Partnern und GlobalFoundries Dresden hat er hirnähnliche Rechner konzipiert und gebaut, die auf ARM-Rechnerkernen beruhen. Ein weiteres Beispiel sind die neuromorphen Loihi-Testchips, die Intel im Jahr 2018 erstmals vorgestellt hatte.

Als besonders heißes Forschungsthema gilt aber der Versuch, künstliche Neuronen und Synapsen sogar auf der untersten Hardware-Ebene nach dem Vorbild des Gehirns nachzubauen und zu vernetzen. Die Synapsen könnten beispielsweise aus analog geschalteten Memristoren bestehen. Das sind Bauelemente, die Speicher und Widerstand (Memory + Resistor) kombinieren und deren Widerstand davon abhängt, wieviel Strom zuvor hindurchgeflossen ist. Anders ausgedrückt: Sie sind in Ansätzen von Anfang an „lernfähig“.

Ferroelektrische Transistoren wiederum sind Kandidaten sowohl für artifizielle Synapsen wie auch Neuronen. Bei Letzteren kommt es vor allem auf die Fähigkeit zum „akkumuliertem Schalten“ an. Sprich: Sie müssen imstande sein, einen neuen Steuerimpuls erst dann an ihr Nachbarneuron auszusenden, wenn sie zuvor selbst eine bestimmte Anzahl von geeigneten Eingangssignalen empfangen haben.

An solchen Konzepten arbeiten in Sachsen unter anderem die TU Dresden, die NaMLab gGmbH und das Fraunhofer-Nanoelektronikzentrum CNT. Beiträge zur Funktionsweise einer KI in neuronalen Netzen sind auch vom Dresdner Infineon-Entwicklungszentrum, vom „Center for Explainable and Efficient AI Technologies“ (CEE AI) in Dresden, vom KI-Forschungszentrum „Scads AI“ Leipzig/Dresden sowie anderen Akteuren der inzwischen recht breiten KI-Szene im Freistaat zu erwarten.

Muster in großen Datenmengen erkennen

Anwendungen für neurale und neuromorphe Elektronik sind beispielsweise die Analyse großer Mengen an medizinischen oder Forschungsdaten, die Umfelderkennung für automatisierte und autonome Autos und andere Mustererkennungsaufgaben. Gerade im Automobilbau zeichnen sich bereits Hybridlösungen ab. Das kann beispielsweise eine gewisse Vorverarbeitung von Kamerabildern und anderen Sensorendaten durch künstliche Neuronen sein, die die dann schon abstrahierten Informationen an den digitalen Bordrechner im Auto oder an einen Superrechner am Wegesrand (Edge-Cloud) weiterleiten, um die Binärcomputer zu entlasten.

Quantencomputer: Ionenfallen, Diamanten und ganz tiefe Temperaturen

Wenn Digitalcomputer einen Code knacken, eine komplizierte Verkehrssituation simulieren, ein Schwarzes Loch im Weltall analysieren oder das künftige Weltklima prognostizieren sollen, probieren sie in ihren binären Zellen, die in Bits gezählt werden, mehr oder minder stur alle Möglichkeiten nacheinander durch. Das kann Tage dauern, Monate oder manchmal sogar Jahre. Quantencomputer dagegen sind aus „Qubits“, also „Quantenbits“ zusammengesetzt: Zellen, die mehrere quantenmechanische Zustände auf einmal annehmen können. Vereinfacht gesagt, können sie mehrere Lösungen für eine Rechenaufgabe gleichzeitig durchspielen. Dadurch sind sie in einigen – nicht in allen – Disziplinen ihren Digitalbrüdern weit überlegen: Sie sind zum Beispiel fähig, auf Primzahl-Faktorisierung basierende Verschlüsselungen sehr schnell zu knacken. Auch für Optimierungsaufgaben und Simulationen eignen sie sich besonders gut.

Bis heute gibt es nur Quantencomputer mit begrenzter Leistung und mit noch vergleichsweise wenigen Qubits. Das liegt an der aufwendigen Fehlerkorrektur, an der ganz eigenen Art und Weise, sie zu programmieren, vor allem aber an der aufwendigen Bauweise für die Hardware. Hier sind mehrere Ansätze möglich, zum Beispiel tiefgekühle Ionenfallen, manipulierte Diamanten, 2D-Materalien, tiefgekühlte Chips mit Stromschleifen mehr. Der Quantencomputer von Technologiepionier IBM beispielsweise besteht aus mehreren supraleitenden Materialien, die Strom bei sehr tiefen Temperaturen widerstandslos leiten. Andere wie die Leipziger Uni-Ausgründung „SaxonQ“ verwenden dotierte Diamanten, in denen die Spins (quantenmechanische Drehimpulse) von Stickstoff-Fehlstellen als Qubits dienen – ganz ohne Tiefkühlung. Neben SaxonQ in Leipzig beschäftigen sich in Sachsen weitere Akteure mit dem Quantencomputing. Dazu gehört das neue Mikroelektronik-Forschungszentrum „Center for Advanced CMOS & Heterointegration Saxony“ (Cachs) in Dresden, das eine eigenen Pilotlinie für Quantenchips auf Siliziumbasis plant. Außerdem beteiligen sich Infineon Dresden, das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) sowie weitere Partner an Projekten wie „Quasar“, „GEQCOS“ und „PIEDMONS“, die auf verschiedenen Technologiepfaden auf den Bau eigener deutscher Quantenprozessoren und -computer zielen. Und auch GlobalFoundries Dresden ist an einigen Prozessschritten für Quantenchips beteiligt, konkret für den kalifornischen Projektpartner „Psiquantum“.

Quantenkommunikation

Eng verwandt mit dem Quantencomputing und ebenfalls auf neuartige Elektronik und Optoelektronik angewiesen ist die Quantenkommunikation. Sie soll abhör- und manipulationssichere Datenverbindungen sowie Telefonie ermöglichen, die auf Quantenverschränkungen beruhen. In diesem Segment hat Sachsen zuletzt spürbar aufgeholt. Für einen Paukenschlag sorgte beispielsweise die Mitteilung des neuen Quantentech-Labors im Dresdner Institutsteil des Fraunhofer Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS) „Entwicklung Adaptiver Systeme“ (EAS), dass dort bereits eine hausinterne Quantenkommunikations-Teststrecke funktioniert. Außerdem arbeitet die TU Dresden an den Bundesprojekten „Quiet“ und „QD-CamNetz“ mit, die auf Quantennetze für das „Internet der Dinge“ (IoT) sowie auf hybride 5G- und Quantendatennetze nach dem Campusnetz-Prinzip zielen.

Chiplets & Co.: Der Systemansatz

Neben solchen eher auf lange Sicht wirkenden Sprunginnovationen beschäftigen sich die Mikroelektroniker auch mit Lösungen für die nahe Zukunft. Dazu gehört der systemische Ansatz. Der überträgt „Moore’s Law“*, laut dem sich die Komplexität, Transistoranzahl und Leistungskraft integrierter Schaltkreise alle ein bis zwei Jahre verdoppelt, auf das elektronische Gesamtsystem. Neben neuen Bauelemente-Architekturen rückt dabei nun auch all‘ das in den Blickpunkt, was die Branche früher klassischerweise dem „Backend“ zugeordnet und nach Asien verlagert hatte. Ein Fokusthema ist dabei die Aufbau- und Verbindungstechnik („Packaging“), die einzelne Chips kontaktiert, miteinander verknüpft und vor Außeneinflüssen schützt.

Ein Beispiel ist die Chiplet-Technologie, die es ermöglicht, mehrere Schaltkreise oder Schaltkreis-Segmente in unterschiedlich anspruchsvollen und teuren Prozessen und sogar in verschiedenen Fabriken herzustellen, sie dann aber organisch zu einem Ganzen zusammenzuführen. Auch die dreidimensionale Kontaktierung mehrerer Schaltkreise, Sensoren, Aktoren und anderer Elemente zu einem System oder die Verbindung übereinandergeschichteter Wafer verschiedener Produktionsketten gehören dazu. In Sachsen beschäftigen sich unter anderem die Fraunhofer-Einrichtungen IPMS, Assid, das Center for Advanced CMOS & Heterointegration Technologies Saxony und weitere Akteure mit diesen Technologien.

Wirtschaftspolitisch hat dieser Trend eine ganz besondere Dimension: Wenn sich die Grenzen zwischen den Kernprozessen („Frontend“) und der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Endmontage („Backend“) in der Mikroelektronik auflösen, könnte dies dazu führen, dass manche hier prozessierten Wafer gar nicht mehr per Luftpost nach Singapur, Malaysia oder an andere auf Backend-Prozesse spezialisierte Standorte gebracht, sondern gleich in Europa weiterverarbeitet werden. Sprich: Womöglich verlagert die Branche einen Teil der Backend-Wertschöpfungskette wieder hierher zurück.

Automotive

Als wichtiges Automobilland und Vorreiter für Elektromobilität konzentrieren sich in Sachsen mehr und mehr Forschungsprojekte auf die Zukunft der Mobilität. Dazu gehören innovative Radarsensoren und KI-Konzepte, an denen unter anderem Infineon Dresden und dessen Development Center arbeiten, oder die mit einer eigenen Fabrik-Cloud vernetzte Autofabrik der Zukunft, an der das VW-Forschungszentrum in den Universellen Werken Dresden forscht. Auf innovative digitale Fertigungsverfahren zielen unter anderem Teams der TU Chemnitz, des Fraunhofer-Instituts IWU sowie der HTW Dresden. Am vernetzten Verkehr der Zukunft tüfteln unter anderem das Fraunhofer-Institut IVI und die TU Dresden.

Sensorik

Was es eben noch nur auf dem TV-Raumschiff „Enterprise“ gab, wird in Sachsen Realität: Mit massiv miniaturisierten Nah-Infrarot-Spektrometern ist es inzwischen möglich, die Zusammensetzung und Güte von Arzneistoffen, frisch gebrautem Bier oder T-Shirts berührungslos aus der Distanz mit „Tricorder“-ähnlichen Geräten zu ermitteln. Was vor Jahren durch die Mikrospiegel-Entwicklung am Fraunhofer-IPMS angestoßen wurde, ist inzwischen in serienreife Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und mehrere Ausgründungen wie Hiperscan oder Senorics gemündet. Zu erwarten ist, dass neben Apotheken, Brauern und Haushaltsgeräteherstellern auch noch ganz andere Branchen diese Innovation aus Sachsen für sich entdecken werden.

Die Mikro-Spektrometer sind allerdings nur ein Beispiel von vielen, welche Umwälzungen sich im Sensorsektor und speziell in den sächsischen Wertschöpfungsketten anbahnen. Weitere Innovationsbeispiele sind die bereits erwähnten KI-gestützten Radarsensoren von Infineon oder die „Universelle Sensorplattform“ (USeP), die derzeit Fahrt aufnimmt. USeP wurde in einem Verbundprojekt von GlobalFoundries, den Fraunhofer-Einrichtungen EAS, Assid, Enas, dem IPMS, der Ausgründung Sensry und weiteren Partnern für Mittelständler entwickelt, die damit eigene IoT- und „Industrie 4.0“-Produkte aufwerten wollen. Inzwischen gelangen die ersten Produkte auf dieser Basis auf den Markt – darunter ein elektronischer Sportler-Tracker und Systeme für die „Vorausschauende Wartung“.

Energiesysteme von morgen

Schaltkreise, die besonders stromsparend arbeiten, sind nicht erst seit der Ausrufung der deutschen Energiewende vom Nischenprodukt zum Wachstumstreiber geworden. Und Sachsen hat sich in diesem Segment einen Wettbewerbsvorteil erarbeitet. Seit dem Start des „Cool Silicon“-Clusters im Jahr 2009 forscht man hier verstärkt an energieeffizienter Mikroelektronik. Ein wichtiger Baustein dafür ist inzwischen die 22FDX-Technologie von GlobalFoundries Dresden, die auf wachsendes Interesse aus immer mehr Branchen stößt. Die Sonderförderung für „Wichtige Projekte von besonderem europäischen Interesse“ (IPCEI) half und hilft, dafür neue Anwendungen zu erschließen.
Ein Technologiepfad, den sächsische Akteure recht erfolgreich auf dem Weg zu den Energiesystemen von morgen eingeschlagen haben, ist die Leistungselektronik. Bessere Gleich- und Wechselrichter sowie andere Halbleiter für hohe Spannungen und starke Ströme werden nämlich in wachsendem Maße gebraucht, um den Umstieg der Automobilindustrie von „Verbrennern“ zu „Stromern“ zu schaffen. Dazu gehören die Leistungshalbleiter, die Infineon in seiner Dresdner Fabrik fertigt, die Galliumnitrid-Linie von X-FAB in Dresden, Autoelektronik von Bosch in Dresden, aber auch die Galliumarsenid-Dioden von 3-5-PE.

Noch befinden sich alle genannten Technologien und Innovationen in der Anlaufkurve, doch werden sie im „Silicon Saxony“ in den kommenden Jahren zweifellos eine wachsende Rolle spielen.

Auch jenseits der Mikroelektronik im engeren Sinne arbeiten viele Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen im Freistaat an zukunftsweisenden Energiesystemen, deren Produktion in Teilen von Schaltkreisen, Sensoren, Automatisierungslösungen und anderen Hochtechnologien „Made in Saxony“ eine Rolle spielen. Ein Beispiel sind die Hochtemperatur-Elektrolyseure von Sunfire. Die sollen künftig europaweit mittels Solar- und Windstrom im großen Stil Öko-Wasserstoff produzieren – und das hocheffizient bei Wirkungsgraden über 80 Prozent. Damit sich diese innovativen, allerdings noch recht teuren Systeme auf dem Markt durchsetzen können, muss Sunfire die Kosten drücken. Dabei sollen Hochautomatisierungstechnologien von Xenon und anderen Partnern helfen, die gerade entwickelt werden.

Auch die Kosten und Effizienz einer neuen Generation von Schwungrad-Energiespeichern, die TU-Forscher in Boxdorf austesten, stehen und fallen mit Maschinenbau, Anlagenbau, Hydraulik, Vakuumtechnologie, Elektrotechnik und Sensorik aus dem Freistaat. Hier und an anderen Stellen betreten Sachsen immer wieder technologisches Neuland – und schieben, ähnlich wie seinerzeit schon in der Mikroelektronik die Grenzen des Machbaren immer weiter hinaus.

Dieser Artikel ist erstmalig im Rahmen unseres Magazins NEXT „Im Fokus: Mikroelektronik“ erschienen. Zur Gesamtausgabe des Magazins
Weitere Artikel: Eine Reise quer durch das Periodensystem – die Materialien der Zukunft Deutschlands Mikroelektronik-Landschaft – Das Halbleiterherz Europas schlägt hier European Chips Act: Gut, aber gut genug?

Foto: Shutterstock