Die Elektronik ist jener Fachbereich, der sich mit der Herstellung elektronischer Bauelemente wie zum Beispiel Kondensatoren, Transistoren, Spulen, Sensoren und Halbleitern befasst. Die Mikroelektronik bedeutet, all diese Bauteile so klein zu schrumpfen, dass heute Milliarden dieser Bauteile auf einen einzelnen Mikrochip passen. Wir nutzen heute Mikroelektronik in Smartphones, allen Arten von Rechnern, in Kameras und Elektrogeräten vom Fernseher bis zur Waschmaschine und längst auch in Fahrzeugen.
Mikroelektronik ermöglicht es uns, immense Rechenleistungen auf kleinstem Raum zu vollbringen: Füllten die ersten Computer noch ganze Häuser, hat die Gleiche Rechenleistung heute auf wenigen Kubikmillimetern Platz. Damit können wir wesentlich mehr Daten erfassen, verarbeiten und Speichern als vor wenigen Jahren noch vorstellbar war.
Das Mooresche Gesetz
Mit welchem Tempo sich die Komplexität integrierter Schaltkreise erhöht, beschreibt das 1965 formulierte Mooresche Gesetz: Damals formulierte Gordon Moore, dass sich die Anzahl von Schaltkreiskomponenten auf einem integrierten Schaltkreis rund alle zwei Jahre verdoppelt. Dieses Gesetz, das eigentlich eher eine Faustregel ist, hat auch heute noch seine Gültigkeit.
Was sind Halbleiter?
Es handelt sich um Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen jener von Leitern wie Metallen und Isolatoren wie Glas und Keramik liegen. Der zurzeit wichtigste Halbleiter ist Silicium.
Was ist ein integrierter Schaltkreis?
Ein integrierter Schaltkreis, kurz IC, ist eine auf einem Chip aufgebrachte elektronische Schaltung. Ein IC besteht aus einer Kombination elektrisch verbundener Halbleiterbauelemente wie Transistoren, Dioden und anderen. Die ICs sind auf einem Chip nicht zu sehen, da sie in ein schützendes Gehäuse eingegossen sind, denn schon einzelne Staubkörner können die ICs lahmlegen. Auf einem heute gebräuchlichen Grafik-Prozessor befinden sich bereits mehrere Milliarden Transistoren.
Was sind Transistoren?
Transistoren sind in einem Chip für das Rechnen und Speichern verantwortlich. Die meisten Transistoren funktionieren wie kleine Schalter, die auf 1 oder 0 gestellt werden. Sie ermöglichen das Rechnen im binären Zahlensystem. Heute passen bereits Milliarden Transistoren auf einen Quadratzentimeter. Sowohl beim Programmieren als auch beim Speichern werden alle Informationen und Befehle in die Sprache der Mathematik, also in Zahlen übersetzt. So wie wir alle Zahlen mit den Ziffern 0 bis 9 darstellen, operiert ein Rechner mit den Ziffern 0 und 1.
Wie entwickelt und baut man Computerchips?
Früher konnte man einfache Elektronikbauteile praktisch von Hand zusammenbasteln und etwas Neues ausprobieren. In der Mikroelektronik ist das nicht mehr möglich. Heute werden die Schaltkreise und sogar das ganze Herstellungsverfahren am Computer simuliert, ehe die Chips in Produktion gehen.
Wie ist ein Computerprozessor?
Der Prozessor ist sozusagen der Motor eines Computers. Eingegebene Daten werden erst gespeichert, dann gemäß den Befehlen der ebenfalls im Prozessor abgelegten Anwendungsprogramme verarbeitet und die Resultate werden wiederum gespeichert und weitergegeben – etwa an Bildschirme oder Drucker.
Anwendungsbereiche
Heute gibt es kaum noch technische Anwendungen, die ohne Mikroelektronik auskommen. Zu den Rechnern gesellten sich erst mikroelektronische Steuerungen etwa von Automotoren, Maschinen und Robotern. Heute erobert die Mikroelektronik auch Haushaltsgeräte, sodass etwa Kühlschränke „wissen“ welche Lebensmittel nachgekauft werden müssen. Sie könnten dann entweder Einkaufslisten aufs Smartphone übermitteln oder beim Supermarkt gleich selbst bestellen. Neue Möglichkeiten ergeben sich auch in der Medizintechnik: So könnte man kleine Sensoren in den Körper einbringen, die z.B. bei Diabetikern den Blutzuckerspiegel messen und bei Bedarf automatisch Insulin abgeben.
Gibt es Grenzen der Miniaturisierung?
Je kleiner die mikroelektronischen Bauteile werden, desto mehr nähern sie sich der Größe einzelner Moleküle und Atome an. Damit gerät man allerdings an die Grenzen der klassischen Physik und taucht in das Reich der Quantenmechanik ein. Eine andere Zukunftsvision ist es, die Welt der reinen Physik zu verlassen und neue Computer auf Basis der Nanobiologie zu entwickeln. Hier sollen „lebendige“ Moleküle wie Proteine oder die DNA die Rechenleistung übernehmen. Schließlich ist auch das menschliche Gehirn nichts anderes als ein Bio-Computer.
SILICON ALPS CLUSTER
Der Silicon Alps Cluster ist ein österreichischer Technologie- und Innovationscluster im Bereich der Electronic Based Systems. Im Kontext der europäischen Mikroelektronikindustrie verfügt Österreich über ein hoch entwickeltes Industrieprofil, das Marktpotenzial liegt bei rund 130 Unternehmen, 30 Tausend Mitarbeitern und 15 Milliarden Euro Umsatz pro Jahr.
Der Süden bündelt bestes Knowhow, hochwertige Technologien und einen attraktiven Branchenmix eingebettet in einem innovativen Umfeld. Fünf Universitäten mit mehr als 40.000 Studierenden, ein international renommiertes Fachhochschulsystem und zahlreiche Forschungseinrichtungen machen die Steiermark zur Technologiefabrik Österreichs. Der Cluster versteht sich als langfristige strategische Allianz und Instrument einer kooperativen, effizienten und unternehmerisch ausgerichteten Standortentwicklung. Übergeordnete Ziele sind die Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit und Innovationsleistung der Mitglieder, Erhöhung der Wertschöpfung in Kärnten und der Steiermark, Erhöhung der internationalen Sichtbarkeit und Attraktivierung des Standortes für Gründer und Ansiedelungen.
www.silicon-alps.at
Mikroelektronik – Expertengespräch mit Heinz Moitzi