Das Ende des Mooreschen Gesetzes?: Wie Form neue Maßstäbe in der Computertechnik setzen kann

Seit Jahrzehnten treibt das Mooresche Gesetz die Halbleiterindustrie an: Mehr Transistoren auf kleinerem Raum, höhere Rechenleistung, effizientere Systeme. Doch ein Team japanischer Forscher könnte diesen Paradigmenwechsel ausgelöst haben – nicht durch neue Materialien, sondern durch eine neue Dimension: die Form. Eine Entdeckung, die das Potenzial hat, das Verständnis von Elektronik von Grund auf zu verändern.

Jenseits von Silizium – der neue Fokus auf Geometrie

Die zentrale Erkenntnis, die die Diskussion über das vermeintliche „Ende des Mooreschen Gesetzes“ neu entfacht hat, stammt von einem Team am Institute of Industrial Science der Universität Tokio. In ihrer 2023 veröffentlichten Studie demonstrierten die Wissenschaftler um Professor Kenichiro Itami, dass sich der elektrische Widerstand eines Halbleitermaterials massiv verändert, wenn seine physikalische Form verändert wird – und zwar unabhängig von der chemischen Zusammensetzung.

Anhand von Nanodrähten aus Niobodisulfid (NbS₂) zeigten die Forscher, dass der Stromfluss kontrolliert werden kann, indem man präzise geometrische Muster in das Material einbringt. Statt komplexer Dotierungsprozesse oder neuer Materialien könnte also die Geometrie der entscheidende Schalter der Zukunft sein.

Das Mooresche Gesetz am Limit

Seit Gordon Moore 1965 seine Prognose veröffentlichte – die Anzahl der Transistoren auf einem Chip verdoppele sich etwa alle 18 bis 24 Monate –, hat sich dieser Algorithmus fast wie ein ungeschriebenes Gesetz verhalten. Doch diese Trendlinie basiert vorwiegend auf der Miniaturisierung von Transistoren. Und hier liegt das Problem: Physikalische Grenzen rücken näher. Bereits 2022 bestätigte Intel, dass Siliziumtechnologie unterhalb von 1,5 nm kaum noch effizient skalierbar ist.

Fast alle großen Hersteller – von TSMC über Samsung bis Intel – setzen daher auf neue Strukturen wie Gate-All-Around-FETs oder nanoskalige FinFETs, um den Verlust an Kontrolle über den Stromfluss zu kompensieren. Dennoch stößt auch diese Entwicklung zunehmend an wirtschaftliche und physikalische Grenzen. Kurz gesagt: Für eine echte Post-Moore-Ära braucht es einen fundamentalen Perspektivwechsel.

Form als Funktion: Neue Wege in der Elektronik

Die Entdeckung aus Japan könnte genau das bringen. Denn sie lässt sich mit einem simplen, aber kraftvollen Prinzip zusammenfassen: Form beeinflusst Funktion. In der Physik spricht man dabei vom sogenannten geometrischen Effekt – die Struktur eines Materials erzeugt Quanteneffekte, die den Widerstand beeinflussen, selbst wenn chemische und äußere Bedingungen konstant bleiben.

Ein praktisches Beispiel: Wird derselbe leitfähige Nanodraht in Spiralform anstelle eines geraden Aufbaus konfiguriert, verändert sich die Stromdichteverteilung. Dies kann zu erhöhter oder verringerter Leitfähigkeit führen – ein völlig neuer Steuermechanismus für den Aufbau elektronischer Bauteile, ganz ohne Materialwechsel oder Energiezufuhr.

Besonders spannend: Die Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass solche „geometrischen Transistoren“ nicht nur helfen könnten, bei gleichen Materialien effizientere Bauelemente zu gestalten. Sie könnten auch völlig neue Schaltungen entstehen lassen, die sich nicht mehr an den heute üblichen Ebenenlayouts orientieren.

Statistik: Technologieentwicklung im Spannungsfeld

Dass die Branche nach Alternativen sucht, belegen auch aktuelle Zahlen: Laut Semiconductor Industry Association (SIA) stiegen die Forschungsinvestitionen in nicht-traditionelle Materialien und Architekturen 2024 um 28 % auf weltweit insgesamt 16,5 Milliarden US-Dollar.

Gleichzeitig zeigen Zahlen aus einem 2025 erschienenen Gartner-Report, dass 34 % der Chiphersteller aktuell an „Post-Moore-Strukturen“ forschen – darunter fallen Technologien wie 3D-Stacking, Quantenpunkte und geometrisch beeinflusste Halbleiter.

Vorteile gegenüber herkömmlicher Miniaturisierung

Im Vergleich zur klassischen Miniaturisierung gibt es mehrere Stärken, die für den geometriebasierten Ansatz sprechen:

• Skalierbarkeit: Während Materialminiaturisierung physikalische Grenzen erreicht, ist die Präzision geometrischer Strukturen durch Nanoscale-Fabrication zunehmend beherrschbar.
• Kompatibilität: Bestehende Materialien wie Silizium oder NbS₂ können weiterhin verwendet werden – das Fabrikationsverfahren wäre der Schlüssel.
• Energieeffizienz: Eine gezielte Steuerung des Stromflusses durch Form könnte den Energieverbrauch massiv senken, etwa in Rechensystemen mit hoher Dichte.

Implikationen für die zukünftige Computerarchitektur

Verändert sich die Funktionalität der Bausteine über ihre Form, hat das direkte Konsequenzen auf höhere Architekturebenen – vom Transistor bis hin zum Gesamtsystem. Designer könnten künftig auf 3D-Strukturen setzen, die mehr Informationen pro Fläche verarbeiten, was neue Möglichkeiten für Edge Computing oder AI-Beschleuniger eröffnet.

Ein weiteres Feld: Neuromorphe Chips. Hier wäre eine „formkodierte“ Signalverarbeitung sogar biologisch plausibel, da sie sich an der Struktur neuronaler Netzwerke orientiert. Erste Konzepte aus dem japanischen Forschungsteam nennen dies „Geometriebasierte Neuromorphie“ – ein Ansatz, bei dem Logikgatter auf Basis morphologischer Ähnlichkeiten organisiert sind.

Technologische Herausforderungen

Noch ist der Weg zur industriellen Umsetzung allerdings weit. Drei zentrale Herausforderungen zeichnen sich ab:

• Reproduzierbarkeit der Form: Die Herstellung nanometrisch exakter Geometrien ist fehleranfällig und verlangt fortschrittliche Lithographietechniken wie EUV oder EBL.
• Integration in bestehende Prozesse: Um mit aktuellen Chipdesigns kompatibel zu bleiben, müssten neue Formelemente in gängige CMOS-Fertigungsprozesse integriert werden.
• Langzeitstabilität: Noch fehlt es an Daten über die Alterungsprozesse solcher geometrisch programmierten Strukturen – insbesondere bei thermischer Belastung.

Handlungsempfehlungen für Entwickler und Unternehmen

• Frühzeitige Prototypentwicklung: Forschungseinrichtungen und Halbleiterunternehmen sollten Pilotprojekte aufsetzen, um gezielt mit geometrischer Strukturierung zu experimentieren.
• Schulungsprogramme für Form-basierte Elektronik: Bildungseinrichtungen sollten Module zur geometrischen Funktionselektronik in Studiengänge integrieren, etwa im Bereich Nanotechnologie oder Quantenmaterialien.
• Kooperation mit Start-ups und Universitäten: Ein agiles Innovationsumfeld entsteht durch offene Partnerschaften mit akademischen Vorreitern dieser Technologie.

Ausblick: Eine neue Ära jenseits von Moore

Ob das Mooresche Gesetz nun endgültig ausgedient hat oder nicht – die Entdeckung der Form als funktionales Steuerungselement bedeutet einen radikalen Perspektivwechsel in der Halbleitertechnologie. Ähnlich wie einst die Einführung von Quantenpunkten oder spintronischen Elementen eröffnet sie einen erweiterten Designraum, der nicht auf Material, sondern auf Topologie baut.

Die Zukunft der Mikroelektronik könnte damit nicht nur kleiner, sondern auch komplexer und intelligenter werden – durch eine neue Generation von Chips, deren Intelligenz in der Geometrie selbst liegt.

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