Grenzen des Mooreschen Gesetzes

Seit Jahrzehnten galt das Moore’sche Gesetz als treibende Kraft hinter dem technologischen Fortschritt: Immer kleinere, leistungsfähigere Chips verdoppelten etwa alle zwei Jahre die Rechenleistung. Diese Entwicklung ermöglichte den technologischen Fortschritt, den wir heute erleben, von Smartphones bis hin zu künstlicher Intelligenz. Doch nun stößt dieses Wachstumsmodell an physikalische Grenzen. Grenzen. Transistoren nähern sich der Größe weniger Nanometer, was Herausforderungen wie quantenmechanische Effekte mit sich bringt. Zudem steigen die Kosten für Forschung und Entwicklung sowie für die Herstellung hochmoderner Chips erheblich an.

Was bedeutet das für die Zukunft der Technologie – und für Legal Tech? Die Antwort liegt in neuen, revolutionären Ansätzen, die über klassische Halbleitertechnik hinausgehen.

Herausforderungen in der Halbleiterherstellung und ihre geopolitischen Implikationen

Die Halbleiterindustrie steht vor erheblichen Herausforderungen, die sowohl technologische als auch geopolitische Dimensionen umfassen. 

Das Mooresche Gesetz, das über Jahrzehnte als Maßstab für die stetige Verdopplung der Rechenleistung galt, nähert sich seinen physikalischen Grenzen. In den letzten Jahrzehnten wurde dieses Wachstum durch kontinuierliche Miniaturisierung erreicht, doch diese stößt nun auf fundamentale Schranken. Unternehmen wie TSMC fertigten 2022 bereits 3-Nanometer-Prozessoren und planten ursprünglich, bis Ende 2025 die 2-Nanometer-Technologie einzuführen – doch aufgrund technologischer Herausforderungen und steigender Fertigungskomplexität verzögert sich diese Einführung voraussichtlich um Jahre.

Mit Transistorgrößen im Bereich weniger Nanometer geraten herkömmliche Siliziumchips zunehmend an die Grenzen der Quantenmechanik. Effekte wie Leckströme und Tunneleffekte führen dazu, dass sich Elektronen unkontrolliert durch Sperrschichten bewegen, was Signalstörungen und Energieverluste verursacht. Diese quantenbedingten Limitierungen machen deutlich, dass rein skalierungsbasierte Fortschritte nicht unbegrenzt fortgesetzt werden können. Um die Leistungssteigerung der Halbleitertechnologie langfristig zu sichern, werden daher neue Architekturansätze benötigt, die über die klassische Miniaturisierung hinausgehen.

Trotz dieser Bemühungen erkennen Branchenexperten an, dass das Mooresche Gesetz an seine Grenzen stößt. Um diesen Grenzen entgegenzuwirken, investieren Unternehmen in alternative Technologien, um die Fortschritte in der Rechenleistung auch in Zukunft fortzusetzen. Diese Entwicklungen markieren einen Übergang zu neuen Technologien, die über die traditionelle Halbleitertechnik hinausgehen.

Die Zukunft der Rechenleistung: Von Graphen-Chips bis Quantencomputer

• Alternative Materialien: Graphen oder Extrem ultraviolette Lithografie (EUVL)
  Die EUV-Lithografie (EUVL) nutzt Hochenergielaser, um extrem präzise Halbleiterstrukturen im Nanobereich zu fertigen, während Graphen – eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen – mit herausragender elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Stabilität das Potenzial für schnellere und effizientere Transistoren bieten.
• 3D-Chip-Stacking: Mehr Leistung auf kleinstem Raum
  Ein weiterer Ansatz zur Steigerung der Rechenleistung ist das 3D-Chip-Stacking. Dabei werden mehrere Halbleiterschichten übereinander gestapelt, wodurch die Integrationsdichte erhöht und die Signalwege verkürzt werden. Dies führt zu schnelleren Datenübertragungsraten und reduziertem Energieverbrauch.
• Quantencomputing: Revolutionäre Rechenleistung
  Quantencomputing nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um Berechnungen durchzuführen, die für klassische Computer unlösbar wären. Aktuelle Entwicklungen zeigen erhebliche Fortschritte in diesem Bereich:
  • Googles Quantenchip „Willow”: Im Dezember 2024 stellte Google den Quantenchip „Willow” vor, der Aufgaben in fünf Minuten lösen kann, für die herkömmliche Supercomputer Milliarden Jahre benötigen würden.
  • Fehlerkorrektur in Quantencomputern: Ein zentrales Hindernis für die praktische Anwendung von Quantencomputern war bisher die Fehleranfälligkeit der Qubits. Google gelang es letztens aber auch diese Fehlerrate maßgeblich zu reduzieren, und so die Systemanwendung stabiler und skalierbarer zu machen.

Geopolitische Herausforderungen und strategische Maßnahmen zur Sicherung der Halbleiterproduktion

Neben den technologischen Hürden spielen geopolitische Faktoren eine entscheidende Rolle in der Halbleiterindustrie. Die COVID-19-Pandemie und der russische Angriffskrieg in der Ukraine führten zu globalen Lieferkettenunterbrechungen, die die Halbleiterproduktion erheblich beeinträchtigten. Ein besonders kritischer Punkt ist die hohe Konzentration der Halbleiterproduktion auf wenige Standorte weltweit. Von den fünfzehn größten Halbleiterherstellern haben acht ihren Sitz in den USA, vier in Asien und nur drei in Europa. Die hohen Investitionskosten – rund 20 Milliarden Euro pro moderner Chip-Fabrik – haben die Fertigung auf diese wenigen Schlüsselakteure reduziert, wobei die leistungsfähigsten Chips derzeit überhaupt nur in zwei Fabriken weltweit entstehen: TSMC in Taiwan und Samsung in Südkorea. 

Vor diesem Hintergrund hat die EU bereits 2022 ein umfassendes Maßnahmenpaket vorgeschlagen, um der zunehmenden Halbleiterknappheit entgegenzuwirken und die europäische Wettbewerbsfähigkeit in diesem strategischen Bereich zu stärken. Das Europäische Chip-Gesetz zielt darauf ab, den derzeitigen Anteil der EU an der weltweiten Produktionskapazität von unter 10% bis 2030 auf 20% zu erhöhen. Dafür sollen mehr als 15 Milliarden Euro an zusätzlichen öffentlichen und privaten Investitionen mobilisiert werden. 

Die Bedeutung von Mikrochips kann dabei kaum überschätzt werden – sie gelten als das „Erdöl des 21. Jahrhunderts” und bilden die Basistechnologie für nahezu alle modernen Industrien. 
 

Fazit

Die Überwindung der Grenzen des Mooreschen Gesetzes durch innovative Technologien wie Graphen-basierte Transistoren, 3D-Chip-Stacking, neuromorphes Computing und Quantencomputing eröffnet neue Horizonte für die Rechenleistung. Für die Rechtsbranche bedeutet dies nicht nur effizientere Arbeitsprozesse, sondern auch die Notwendigkeit, sich mit den rechtlichen Aspekten dieser Technologien intensiv auseinanderzusetzen, um Chancen zu nutzen und Risiken zu minimieren.

Quellen:

https://www.bmaw.gv.at/Themen/Europa/Aktuelles/European-Chips-Act.html

https://spectrum.ieee.org/amd-3d-stacking-intel-graphcore

https://news.mit.edu/2024/mit-engineers-grow-high-rise-3d-chips-1218