Der Deutsche Innovationspreis 2025: Ultradünne Wafer helfen KI-Rechenzentren beim Stromsparen
Kontinuierliche Schrumpfung ist beim Technologiekonzern Infineon seit vielen Jahren die wichtigste Entwicklungsauf‧gabe überhaupt. Die runden Scheiben aus ‧Silizium, aus denen Infineon Computerchips herstellt, waren schon Ende der 1990er-Jahre nur noch so dick wie ein Sandkorn. Die neueste Generation aber, die der Konzern im vergangenen Herbst an den Start brachte, ist nur noch 0,02 Millimeter dünn, also ein Viertel so dick wie ein menschliches Haar. Nimmt man den runden Wafer in die Hand, biegt er sich wie eine Aluminiumfolie.
Mit dem dünnsten Siliziumwafer der Welt schafft Infineon einen technologischen Sprung bei der Herstellung von sogenannten Leistungshalbleitern. Das sind jene Chips, die die Energieversorgung regeln: Während Prozessoren Daten verarbeiten, etwa in Smartphones und Laptops, schalten und wandeln Leistungshalbleiter Spannungen und Ströme. Sie bestimmen ähnlich wie mechanische Lichtschalter, ob Strom fließt oder nicht, oder wandeln in den Netzteilen vieler Elektrogeräte die Spannung herunter.
Immer wichtiger wird dabei, dass die Chips möglichst wenig Energie verbrauchen. „Wo sehr viel Strom auf kleinem Raum gewandelt wird, müssen Halbleiter besonders effizient arbeiten“, sagt Richard Kunčič, Leiter der Sparte Power Systems bei Infineon, „damit möglichst wenig Energie als Wärme verloren geht.“ Wenn das gelingt, werden Elektroautos effizienter, Handyladegeräte kleiner, wird der Kühlbedarf in Computern geringer.
An dieser Stelle kommt die Dicke der Siliziumwafer ins Spiel, die das Ausgangsmaterial für die Stromschaltchips bilden: Je dünner der Wafer ist, desto geringer der elektrische Widerstand in ihm. Der elektrische Strom muss eine geringere Strecke überwinden, die Elektronen werden von weniger Atomen abgebremst. Darum haben die neuen hauchdünnen Scheiben von Infineon nur noch die Hälfte des elektrischen Widerstands der Vorgängergeneration.
Die Leistungshalbleiter, die Infineon damit herstellt, sollen vor allem in Rechenzentren für künstliche Intelligenz ‧ihre Stärken ausspielen. Der Boom an KI-Anwendungen sorgt dafür, dass Techkonzerne derzeit weltweit für Hunderte Milliarden Dollar neue Rechencluster errichten. Die werden nicht nur immer größer, sondern auch immer energiehungriger. „Die nächste Generation der Computing-Racks von der Größe eines Kleiderschranks braucht ein Megawatt Leistung“, sagt Infineon-Manager Kunčič.
KI schluckt immer mehr Strom
Während die KI-Chips also immer mehr Strom fressen, müssen die Leistungschips, die direkt an ihnen anliegen, diesen immer effizienter bereitstellen. Ihre Auf‧gabe ist es unter anderem, die Spannung in mehreren Schritten von 230 Volt auf unter ein Volt zu drosseln. Je weniger Energie dabei als Abwärme verloren geht, desto niedriger die Stromrechnung – und der Aufwand, Wärme mit riesigen Ventilationsanlagen wegzuschaffen.
Dank der neuen, enorm dünnen Wafer kann Infineon den Energieverlust in seinen Chips um 15 Prozent senken. „Rechenzentren sorgen schon jetzt für zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs“, sagt Kunčič. „Bis 2030 soll der Verbrauch auf circa sieben Prozent steigen.“ Das wäre ungefähr so viel, wie derzeit ganz Indien verbraucht. Eine Zahl, die das immense Einsparpotenzial durch den Einsatz der neuen Chips deutlich macht.
Zur Herstellung der enorm dünnen Wafer haben Infineon-Ingenieure ein neues Verfahren entwickelt, bei dem das Silizium besonders präzise geschliffen wird. Auch für die Handhabung des empfind‧lichen Materials in den Fertigungsmaschinen haben die Fachleute neue Lösungen entwickelt, damit der Wafer sich nicht verformt oder reißt wie ein zu dünner Pfannkuchen in der Pfanne. „Einerseits soll der Wafer auf dem Trägermaterial haften“, sagt Kunčič, „andererseits aber nur so gut, dass er sich nach der Bearbeitung auch wieder davon lösen lässt.“
Das Fachwissen dazu haben die Ingenieure in der Entwicklung bei Infineon über viele Jahre aufgebaut. Es gehe bei dieser Arbeit nicht um den einen großen Durchbruch, sondern „um sehr viel Optimierungsarbeit im Detail“, sagt Kunčič, „bis die Technik wirklich perfekt ist“.
Dafür braucht es wohl Beharrlichkeit, vielleicht eine Art von Besessenheit: den Glauben, dass sich auch an einer seit langer Zeit optimierten Technologie noch etwas verbessern lässt. „Und wir haben sehr leidenschaftliche Ingenieure, die viel Geduld aufbringen“, sagt Kunčič, der sich auch im Moment des Erfolgs sicher ist: Ein bisschen besser geht es bestimmt noch, irgendwie.
Lesen Sie auch: Das sind die besten Innovationen des Jahres