Der Chip — Elektronikbaustein von heute

DIE programmierte Kaffeemaschine, die deinen Morgenkaffee brüht, der Taschenrechner, der dir so manchen Bleistiftstrich spart, die vielfarbigen Anzeigen am Armaturenbrett neuer Autos — allen ist eines gemeinsam: Sie sind durch Silizium-Chips möglich geworden, Scheibchen, die nicht viel größer sind als der Daumennagel eines Neugeborenen.

Diese Chips kannst du noch in vielen anderen Dingen finden, z. B. in Uhren, Fernsehgeräten, Telefonapparaten, Haushaltsgeräten und einigen Werkzeugen. Von den alltäglichen Gegenständen im Haus bis zu streng geheimen militärischen Anwendungen — dieses winzige Paradestück eines elektronischen Wunders ist erheblich daran beteiligt, Leben und Arbeit von Menschen in der ganzen Welt zu verändern. Aber was ist ein Silizium-Chip? Wie ist er entstanden? Und wie hat er Eingang in dein tägliches Leben gefunden?

Was ist ein Chip?

Ein Silizium-Chip ist eigentlich eine Ansammlung kleinster Schaltkreise. Man kann einen Schaltkreis mit einem Satz in diesem Artikel vergleichen. Jeder Satz ist aus Standardbestandteilen wie Substantiven, Verben und Adjektiven aufgebaut. Indem man diese Komponenten unterschiedlich anordnet, entstehen Aussagen, Fragen oder sogar Gedichte. Sätze, in logischer Folge kombiniert, ergeben Gespräche und Literatur.

Bei Schaltkreisen verhält es sich sehr ähnlich. Stellt man elektronische Standardbauteile — wie Transistoren, Dioden und Widerstände — auf unterschiedliche Weise zusammen, erhält man Schaltkreise für verschiedenste Funktionen. Tausende solcher Schaltkreise können dann kombiniert werden, so daß sie alle möglichen nützlichen elektronischen Prozesse ausführen können, zumindest theoretisch.

In der Praxis ist es jedoch eine gewaltige Aufgabe, Hunderttausende von elektronischen Komponenten zu verbinden, ganz zu schweigen von dem benötigten Platz. Das war genau das Hindernis, dem sich die Wissenschaftler gegen Ende der 1940er Jahre gegenübersahen, als sie die erste Generation von Computern bauten. Einer dieser Computer in Philadelphia (Vereinigte Staaten), der als ENIAC (Elektronisch-numerische Integrations- und Rechenanlage) bekannt wurde, nahm eine Fläche von 140 Quadratmetern ein, wog ca. 27 Tonnen und hatte etwa 19 000 Röhren. Dieses Monstrum benötigte soviel Energie wie 1 300 100-Watt-Glühbirnen. Sein „Stromhunger“ gab Anlaß zu amüsanten Geschichten. So erzählte man sich, alle Lichter in West-Philadelphia seien schwächer geworden, sobald man die Maschine eingeschaltet habe.

Trotz seiner ganzen Masse war die Leistungsfähigkeit von ENIAC wie auch die seiner Mitgenossen äußerst schwach im Vergleich zu der der heutigen Computergeneration. Während ein moderner Tischrechner Millionen von Rechenoperationen in der Sekunde ausführen kann, mühte sich ENIAC mit 5 000 Additionen oder 300 Multiplikationen in der Sekunde ab. Und während heutzutage Computer, die nur einige hundert Mark kosten, genügend internen Speicherplatz haben, um 100 000 oder mehr Zahlen zu speichern, brachte es EDVAC, ein anderer früher Gigant, nur auf 1 024. Wodurch wurden die heutigen Rechner so viel leistungsfähiger?

In den frühen 60er Jahren kam der kleine und leistungsstarke Transistor auf den Markt. Endlich waren die Computerspezialisten in der Lage, ihre langsamen, energiehungrigen Monster zu verkleinern. Aber bevor die heutigen Computer gebaut werden konnten, mußte es noch auf einem anderen Gebiet Fortschritte geben, und zwar auf dem der Fotografie.

Verkleinerung und der Chip

Wie wahrscheinlich bekannt ist, kann man mit der richtigen Ausrüstung Fotografien den Bedürfnissen entsprechend verkleinern oder vergrößern. In den letzten Jahren wurde eine Technik entwickelt, die es Computeringenieuren erlaubt, große Pläne von Computerschaltkreisen fotografisch auf winzige Größe zu bringen. Die Pläne können so komplex wie die Straßenkarte einer Großstadt sein, und doch werden sie nach der Verkleinerung auf einen Chip passen, der kleiner als eine Kontaktlinse ist. Die Fotos werden jedoch nicht auf normalem Fotopapier gemacht, sondern auf Scheiben aus reinem Silizium, einem der häufigsten Elemente der Erde, das man in gewöhnlichem Sand findet.

Silizium wird bei der Herstellung von Chips wegen bestimmter Eigenschaften bevorzugt: Bringt man z. B. verschiedenartige chemische Verunreinigungen in das Material ein, kann es sich wie Widerstände, Kondensatoren oder auch wie Transistoren verhalten. Indem man daher bestimmte Bereiche eines einzigen Silizium-Chips mit solchen Verunreinigungen „dotiert“, kann man darauf einen kompletten Schaltkreis aufbringen.

Aus geschmolzenem und gereinigtem Sand züchtet man Siliziumkristalle, bis salamiähnliche Barren entstehen, die man dann in dünne Scheiben schneidet und speziell beschichtet. In jede Schicht werden winzige Bilder der großen Schaltkreise geätzt. Verunreinigungen werden an den entsprechenden Stellen eingebracht. Doch was da auf den Chips entsteht, sind nicht nur einfach Bilder, sondern funktionierende Schaltkreise, die man „integrierte Schaltkreise“ oder kurz ICs nennt.

Die integrierten Schaltkreise der 60er Jahre hatten etwa hundert Bauelemente. Damit konnte man koffergroße „Klein“computer für Labors und für andere Einrichtungen bauen. Ende der 70er Jahre stellte man LSI-Chips (hochintegrierte Chips) her mit über hunderttausend Bauelementen. Sie waren so komplex, daß ein einziger theoretisch alle Funktionen eines kompletten Rechners hätte ausführen können, z. B. einen Mikrowellenherd oder ein Auto steuern. Heute spricht man von VLSI-Chips (höchstintegrierten Chips), die über Millionen von Bauelementen verfügen. Stell dir vor, die Straßenkarte einer Stadt von etwa 2,5 Millionen Quadratkilometern oder von der doppelten Größe Alaskas auf einen Chip von 0,4 Quadratzentimetern zusammengezwängt!

Der Chip und du

Durch den Chip entfällt bei der Herstellung komplizierter elektronischer Geräte viel von der sonst erforderlichen Handarbeit und dem ermüdenden Löten. Dadurch wird das Produkt billiger, zuverlässiger und kleiner. Die Massenproduktion hat die Kosten für Spezialchips wie z. B. Tongeneratoren so drastisch gesenkt, daß sie heutzutage für alle möglichen Produkte benutzt werden.

So finden wir diese Chips überall um uns herum: in sprechenden Spielen, Verkaufsautomaten und Autos. In einigen Ländern sind der Zeitansager und die „Dame“ von der Auskunft aus Silizium! Konsumgüter mit Chips, die gesprochene Anweisungen verstehen, werden immer beliebter. Einige davon sind reine Verkaufsgags, aber andere können für Behinderte eine wirkliche Hilfe sein.

Auch in der Industrie und im Geschäftswesen sind die Chips eingespannt worden. Sie steuern Fabrikroboter, die den Menschen langweilige, monotone und gefährliche Arbeiten abnehmen; sie sind bereits massiv in die Automobilproduktion eingedrungen, wo sie unter anderem schweißen und lackieren. In den Büros werden die Schreibmaschinen schnell durch elektronische Schreibsysteme ersetzt, die die Rechtschreibung kontrollieren, Änderungen erlauben, ohne daß man die ganze Seite neu schreiben muß, und die sogar die Anschrift automatisch ausdrucken. Diese Entwicklung ist jedoch zweischneidig. Zwar sind die Bürokräfte von stumpfsinniger Routinearbeit befreit worden, aber dafür sind sie jetzt immer mehr an den Computerbildschirm gefesselt.

Die Silizium-Chips haben in großem Maße zu der Revolution der Kommunikationstechnologie beigetragen, deren Zeuge wir sind. Die Zeitschrift, die du gerade liest, wurde am Computerbildschirm geschrieben, mit einem Computer gesetzt und mit Computerunterstützung gedruckt. Die Watchtower Society hat ihr eigenes spezielles vielsprachiges elektronisches Fotosatzsystem (MEPS), das dem computerunterstützten Fotosatz und Druck dient. Damit geht sie, was den vielsprachigen Einsatz jenes elektronischen Bausteins betrifft, führend voran — des wertvollen und nützlichen Bausteins, der immer häufiger anzutreffen ist: der Chip.