Vor Moores Gesetz: Wie die physikalische Chemie den modernen Mikroprozessor prägte

Nach seinem Bachelor-Abschluss an der University of California, Berkeley, promovierte Gordon E. Moore 1954 am California Institute of Technology in physikalischer Chemie. Nach einer kurzen Tätigkeit am Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Maryland kehrte er 1956 an die Westküste zurück, um bei Shockley Semiconductor einzusteigen. Das von Transistor-Miterfinder William Shockley mit finanzieller Unterstützung von Arnold O. Beckman gegründete Unternehmen brachte die Halbleiterforschung nach Nordkalifornien. Moore spezialisierte sich dort auf die Festkörper-Dotierstoffdiffusion – ein Verfahren zur präzisen Steuerung, wie sich atomare Verunreinigungen mit Siliziumkristallen verbinden.

Die Chemie des Festkörpers

Um funktionsfähige Halbleiterschalter herzustellen, benötigte man nahezu reines Silizium, das gezielt durch mikroskopische Verunreinigungen – sogenannte Dotierstoffe – verändert wurde. Das Einbringen spezifischer chemischer Elemente erzeugte Bereiche mit Elektronenüberschuss neben Zonen mit Elektronenmangel, wodurch Silizium elektrische Ströme steuern konnte. Moore nutzte seine Kenntnisse der physikalischen Chemie, um diesen heiklen Diffusionsprozess zu beherrschen. Da die Unternehmensführung unter Shockley jedoch zunehmend autoritär agierte, verließen Moore und sieben Kollegen 1957 den Betrieb. Unter der Finanzierung von Fairchild Camera and Instrument gründete das Team Fairchild Semiconductor – ein Schritt, der Moore mitten ins Zentrum der Halbleiterinnovation rückte.

Das Fundament der Fertigung

Bei Fairchild Semiconductor stieg Moore vom Engineering Manager zum Leiter der Forschung und Entwicklung auf. Er konstruierte maßgeschneiderte Diffusionsöfen, um die für die Behandlung von Silizium-Wafern erforderlichen, präzisen Hochtemperatur-Umgebungen aufrechtzuerhalten. Zudem untersuchte er Metallkontakte für Festkörperbauteile und entschied sich für Aluminium – eine Wahl, die sich weltweit als Branchenstandard für Mikrochips etablierte. Unter Moores technischer Leitung trug Fairchild 1960 maßgeblich zum Planarprozess bei. Durch die Erzeugung einer glatten Siliziumdioxidschicht auf der Waferoberfläche ermöglichte es dieses Verfahren, komplette Schaltkreise chemisch in das Silizium zu ätzen. Dies legte 1961 den Grundstein für integrierte Schaltkreise und trieb die Entwicklung von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FETs) voran.

Eine Beobachtung prägt eine ganze Branche

Im Jahr 1965 veröffentlichte Moore eine Analyse der Fertigungstrends und prognostizierte, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip jedes Jahr verdoppeln würde – was die Rechenleistung kontinuierlich steigern und gleichzeitig die Kosten senken würde. Ein Jahrzehnt später, 1975, passte er seine Vorhersage aufgrund dichterer Schaltkreisdesigns auf eine Verdopplung etwa alle zwei Jahre an. Diese empirische Prognose wurde als Mooresches Gesetz bekannt und entwickelte sich zum zentralen Benchmark für die Mikrochip-Entwicklung, der technologische Fahrpläne und Investitionen in der gesamten Branche maßgeblich steuerte.

Von Speicherkristallen zu Mikroprozessoren

Trotz aller Durchbrüche tat sich Fairchild schwer damit, MOS-Innovationen aus den Forschungslaboren in die Serienfertigung zu übertragen. Vor dem Hintergrund von Umstrukturierungen in der Führungsetage verließen Moore und der Erfinder des integrierten Schaltkreises, Robert Noyce, das Unternehmen 1968, um die Intel Corporation zu gründen. Intel konzentrierte sich zunächst auf die Herstellung von Halbleiterspeichern für elektronische Rechner. Als der internationale Wettbewerb den Markt für Speicherchips zu beherrschen begann, schwenkte Intel auf Mikroprozessoren um und entwickelte zentrale Recheneinheiten, die digitale Befehle in moderner Hardware ausführen. Moore fungierte während des Aufstiegs von Intel zur weltweiten Fertigungsüberlegenheit als Executive Vice President, Chief Executive Officer und Chairman.

Moores fundierte Ausbildung in der physikalischen Chemie verwandelte die mikroskopische Dotierstoffdiffusion in den zuverlässigen Fertigungsmotor der modernen Mikroelektronik. Die nach diesen chemischen Prinzipien verfeinerten Silizium-Mikrochips treiben heute Computer, Mobiltelefone, Fernsehgeräte, Autos und Industrieanlagen an und bilden das Fundament nahezu jedes Sektors der globalen Wirtschaft.

Titelbild: KI-generierte Illustration; kein Dokumentarfoto.

Quelle: Gordon E. Moore