Transistoren

Schon Konrad Zuse bemerkte recht früh, dass Relais entscheidende Nachteile haben: Als mechanisches Schaltteil ist die Schaltzeit beschränkt. Die schnellsten Relais schaffen lediglich 1'000 Schaltvorgänge pro Sekunde – ein aktueller Mikroprozessor überschreitet diesen Wert um etwa das 10'000’000-Fache. Zusätzlich verbrauchen Relais beträchtlich viel Strom um im aktiven Zustand zu bleiben und produzieren dabei viel Abwärme, die wiederum durch Klimatisierung abgeführt werden muss.

einzelner Transistor Integrierte Schaltung (Chip) Mikroprozessor

Bereits 1925 wurde das Prinzip des Transistors als Patent angemeldet. Zu dieser Zeit war es allerdings technisch nicht möglich solche Transistoren zu bauen. Erst in den 1950er Jahren wurden Transistoren in grösseren Mengen hergestellt. 1970 wurden dann die ersten Mikroprozessoren der Firmen Intel und Texas Instruments vorgestellt. Seit dann stieg die Anzahl Transistoren die auf einem solchen Chip Platz finden beträchtlich:

Die folgende Tabelle zeigt einige Mikroprozessoren und ihre Anzahl Transistoren:

Jahr Name Transistoren Bemerkungen
1965 Atlas (Computer) 80’000 Grösster aus einzelnen Transistoren gebauter Computer
1971 Intel 4004 2’300 Einer der ersten serienmässig hergestellten Mikroprozessoren, Fläche < 1 cm2
1978 Intel 8086 29’000 16-Bit-Mikroprozessor, wurde in IBM-PCs verwendet. Vorgänger von 286, 386, ....
1996 AMD K6 8’800’000 Härtester Konkurrent des Intel Pentium II
2006 PowerPC Broadway 20'000’000 Ein sogenannter RISC-Prozessor, wird verwendet im Nintendo Wii
2008 AMD RV740 514'000’000 Mittelklasse-Grafikprozessor, in allen Grafikkarten der Serie ATI HD 46xx
2009 Intel i7
(Bloomfield)
731'000’000 Moderner Quad-Core-Prozessor von Intel
Fläche: 263 mm2
2011 Intel i7
(Sandy Bridge)
995'000’000 Moderner Quad-Core-Prozessor von Intel
Fläche: 216 mm2
2013 Intel i7
(Haswell)
1'400'000’000 Quad-Core-Prozessor von Intel
Fläche: 181 mm2
2014 Intel i7
(Haswell, X99)
2'600'000’000 8-Core Prozessor aus Intels „Extreme“-Serie
2016 Intel i7
(Broadwell)
3'200'000’000 10-Core Prozessor von Intel
2017 AMD Ryzen 4'800'000’000 8-Core Prozessor von AMD
2018 Apple A12X Bionic 6'900'000'000 hexa-core Prozessor von Apple (Ipad pro)

Moorsches Gesetz

Die Anzahl an Transistoren auf einem handelsüblichen Prozessor verdoppelt sich alle achtzehn Monate.

Das Moorsche Gesetz ist kein Naturgesetz im eigentlichen Sinne. Vielmehr handelt es sich um eine Gesetzmässigkeit. Durch immer ausgereiftere Herstellungsprozesse können immer kleinere Transistoren hergestellt werden, was zu immer komplexeren und leistungsfähigeren integrierten Schaltungen führt. Allerdings prognostiziert man heute das Ende der Gültigkeit des Gesetzes ums Jahr 2025, da man bei der Herstellung an physikalische Grenzen stossen wird, wenn die Transistoren nur noch die Grösse einiger Atome haben. Damit das Moorsche Gesetz weiterhin Gültigkeit hätte, müsste man bald eine neue Technologie ausarbeiten, die das Prinzip der Transistoren weiter verkleinert

Funktionsprinzip

Im Gegensatz zu den Relais, wird bei den Transistoren der Schaltvorgang nicht durch einen Stromfluss ausgelöst, sondern durch das Vorhandensein einer Spannung.

MOS-Transistoren: MOS steht für metal-oxide semiconductor (Metall-Oxid-Halbleiter) und beschreibt die Funktionsweise dieser weitverbreiteten Transistoren: Halbleiter verändern ihre Leitfähigkeit aufgrund externer Bedingungen. Im MOS-Transistor beeinflusst die angelegte Spannung die Leitfähigkeit des verwendeten Halbleiters.

NMOS-Transistor
Beim NMOS-Transistor schliesst das Anlegen einer Spannung am Gate den Schalter zwischen den beiden Anschlüssen Source und Drain. Wenn keine Spannung anliegt, ist der Schalter geöffnet und es fliesst kein Strom. Der NMOS-Transistor entspricht einem Relais mit Arbeitskontakt.
PMOS-Transistor
Der PMOS-Transistor verhält sich wie ein Relais mit Ruhekontakt: Im passiven Zustand ist der Schalter geschlossen. Wenn am Gate eine Spannung anliegt, wechselt der Transistor in den aktiven Zustand und der Stromfluss von Source nach Drain wird unterbrochen.