Es kann schwindelerregend sein, all die komplexen Komponenten eines einzigen Computerchips zu verstehen: Schichten von mikroskopisch kleinen Bauteilen, die mit Kupferdrähten verbunden sind, von denen einige kaum breiter als ein paar DNA-Stränge sind. Zwischen diesen Drähten befindet sich ein Isoliermaterial, das sogenannte Dielektrikum, das dafür sorgt, dass sich die Drähte nicht berühren und einen Kurzschluss verursachen. Der dielektrische Film zwischen dem Chip und der darunter liegenden Struktur ist so dünn wie weiße Blutkörperchen.
Seit 30 Jahren verdient ein japanisches Unternehmen namens Ajinomoto Milliarden mit der Herstellung einer speziellen Folie, der Ajinomoto Buildup Film (ABF). Ajinomoto hat heute einen Marktanteil von mehr als 90 Prozent für Isolatoren, die von Laptops bis hin zu Rechenzentren eingesetzt werden. Ein Startup mit Sitz im kalifornischen Berkeley will das ändern und Ajinomoto Konkurrenz machen.
Neue Anforderungen an Chips
Das Unternehmen namens Thintronics verspricht ein Produkt, das speziell die Rechenanforderungen im Zeitalter der künstlichen Intelligenz im Blick hat. Es entwickelt eine Reihe neuer Materialien, die mutmaßlich über bessere Isolationseigenschaften als die bestehenden Dielektrika verfügen und somit höhere Rechengeschwindigkeiten bei gleichzeitig niedrigeren Energiekosten ermöglichen könnten.
Thintronics ist eines von zahlreichen US-Unternehmen, die durch den 280 Milliarden US-Dollar schweren CHIPS and Science Act der Biden-Regierung aus dem Jahr 2022 angeregt wurden. Der Plan ist, einen Teil des Halbleitersektors, der derzeit von einer Handvoll internationaler Unternehmen beherrscht wird, zurück in die USA zu bringen und die Abhängigkeit von ausländischen Lieferanten zu verringern.
Um erfolgreich zu sein, müssen Thintronics und andere Firmen jedoch einige Herausforderungen meistern: Sie müssen technische Probleme lösen, langjährige Branchenbeziehungen aufbrechen und die führenden Halbleiterhersteller davon überzeugen, neue Materialien in die Produktion aufzunehmen. "Neue Materialplattformen zu entwickeln und sie in die Welt zu bringen, ist sehr schwierig", sagt Stefan Pastine, Gründer und CEO von Thintronics. Es sei "nichts für schwache Nerven".
Die Suche nach dem Super-Isolator
Dass das japanische Unternehmen Ajinomoto eine entscheidende Rolle im Chipsektor spielt, ist kaum zu glauben. Ajinomoto ist nämlich primär als der weltweit führende Lieferant von MNG-Würzpulver, umgangssprachlich Glutamat, bekannt. In den 1990er-Jahren entdeckten Wissenschaftler von Ajinomoto allerdings, dass ein Nebenprodukt von MNG ein hervorragender Isolator für Halbleiter ist – seither hat es fast ein Monopol auf dieses Nischenmaterial.
Ajinomoto stellt keines der anderen Bauteile her, die in Chips verwendet werden. Die Isoliermaterialien in den Chips beruhen auf verstreuten Lieferketten: Eine Schicht verwendet Materialien von Ajinomoto, eine andere Material von einem anderen Unternehmen und so weiter, wobei keine der Schichten darauf ausgelegt ist, mit den anderen zusammenzuarbeiten. Das daraus resultierende System funktioniert zwar gut, wenn Daten über kurze Strecken übertragen werden. Über "längere" Entfernungen, etwa zwischen zwei Chips, wirken schwache Isolatoren allerdings wie ein Flaschenhals, der Energie kostet und die Rechengeschwindigkeit verlangsamt. Das Problem wird inzwischen immer deutlicher, da das Training von KI-Modellen immer rechenintensiver und teurer wird und enorme Energie verbraucht.
Für Pastine, einen Chemiker, der sein früheres Unternehmen, das sich auf das Recycling von Hartplastik spezialisiert hatte, 2019 verkauft hat, ergibt das wenig Sinn. Er glaubt, dass die chemische Industrie zu langsam für Innovationen sei, was wiederum die Chiphersteller davon abhält, bessere Isoliermaterialien zu finden. In der Chipindustrie habe man, sagt er, Isolatoren lange Zeit stiefmütterlich behandelt. Die Fortschritte, die bei Transistoren und anderen Chipkomponenten gemacht wurden, seien an ihnen vorbeigegangen.
Die richtige Chemie für den Durchbruch
2019 gründete Pastine Thintronics in der Hoffnung, dass die Entschlüsselung eines besseren Isolators Datenzentren schnellere Rechengeschwindigkeiten bei geringeren Kosten ermöglichen könnte. Diese Idee war nicht bahnbrechend, ständig werden neue Isolatoren erforscht und eingesetzt, aber Pastine war davon überzeugt, die richtige Chemie für einen Durchbruch finden zu können.
Thintronics stellt nach eigenen Angaben verschiedene Isolatoren für alle Schichten des Chips her. Dadurch will man ein System entwickeln, das in bestehende Fertigungslinien integriert werden kann. Stefan Pastine sagt, dass die Materialien derzeit mit einer Reihe von Industrieunternehmen getestet werden. Er lehnte es jedoch unter Berufung auf Geheimhaltungsvereinbarungen ab, Namen zu nennen. Auch über die Zusammensetzung der Materialien möchte er nicht sprechen.
Es ist deshalb schwer zu sagen, wie gut die Thintronics-Materialien im Vergleich zu Konkurrenzprodukten abschneiden. Das Unternehmen hat vor kurzem die DK-Werte seiner Materialien getestet, die ein Maß dafür sind, wie gut ein Material isoliert. Venky Sundaram, ein Forscher, der mehrere Halbleiter-Startups gegründet hat, aber nicht an Thintronics beteiligt ist, hat die Ergebnisse überprüft. Einige der Thintronics-Werte seien eher durchschnittlich, sagt er. Aber der beste DK-Wert sei weit besser als alles, was heute erhältlich ist.