Die Asche des Halbleiterpioniers Chih-Tang Sah nach China überführt

Letzte Heimkehr eines Mannes, der moderne Chips prägte

Die Asche von Chih-Tang Sah, einem Pionier des modernen Halbleiterzeitalters, wurde zur Beisetzung aus den Vereinigten Staaten in die südostchinesische Provinz Fujian gebracht. Sein wissenschaftliches Vermächtnis steckt in nahezu jedem Gerät mit einem Chip: vom Smartphone in der Tasche bis zu den Computern, die Flugzeuge steuern, und den Beschleunigern, mit denen künstliche Intelligenz trainiert wird. 1963 entwickelte Sah bei Fairchild Semiconductor gemeinsam mit seinem Kollegen Frank Wanlass das Konzept der komplementären Metalloxid-Halbleiterlogik, besser bekannt als CMOS. Diese Idee, im Konzept einfach und in ihrer Wirkung weitreichend, ebnete den Weg für praxistaugliche integrierte Schaltungen mit geringem Stromverbrauch und den gewaltigen Umfang der heutigen Chipindustrie. Laut dem Buch „High-Frequency Integrated Circuits“ von Sorin Voinigescu von der University of Toronto wurden 2011 rund 99 Prozent der integrierten Halbleiterschaltungen mit CMOS-Technologie hergestellt.

Sah wurde in Peking geboren und starb am 5. Juli im Alter von 92 Jahren. Er war Honorarprofessor an der Universität Xiamen, die seinen Tod und seine langjährige Verbindung zur akademischen Gemeinschaft würdigte. Die Rückkehr seiner Asche in die Heimatprovinz ist ein Anlass, über die Wissenschaft nachzudenken, die unauffällig den Alltag und die Weltwirtschaft antreibt, und über eine Laufbahn, die Labore, Hörsäle und das Herz des modernen Informationszeitalters miteinander verband.

Wer war Chih Tang Sah?

Chih-Tang Sah gehörte zu einer Generation, die die Grundlagen des Informationszeitalters schuf. Er wurde 1932 in China geboren und wuchs in der angesehenen Familie Sah aus Fuzhou auf. Später studierte er Ingenieurwissenschaften in den Vereinigten Staaten. An der University of Illinois erwarb er zwei Bachelorabschlüsse, anschließend schloss er an der Stanford University sein Masterstudium und seine Promotion ab. Diese Ausbildung brachte ihn genau zu dem Zeitpunkt ins Zentrum der frühen Festkörperforschung, als Siliziumbauelemente aus den Physikzeitschriften in die Fabriken gelangten.

Ausbildung und frühe Laufbahn

1956 begann Sah in der Industrie im Bereich Festkörperelektronik und wechselte bald zu Fairchild Semiconductor. Dort stellten er und Frank Wanlass 1963 das CMOS-Konzept vor. Die Kombination zweier Transistortypen, von denen der eine bei hohem und der andere bei niedrigem Eingangssignal leitet, ermöglichte Logikschaltungen, die im Ruhezustand wenig Strom verbrauchten und sich bei wachsender Komplexität der Chips gut skalieren ließen. Später wurde Sah Professor an der University of Illinois, wo er von 1962 bis 1988 lehrte, und setzte seine Arbeit anschließend an der University of Florida fort. Im Laufe seiner akademischen Laufbahn veröffentlichte er rund 280 Fachartikel, betreute Doktoranden und trieb die Bauelementephysik voran, auf der CMOS-Entwurf und -Fertigung beruhen. In Industrie und Wissenschaft wurde er für Beiträge gewürdigt, die Theorie, Bauelemente und Systeme miteinander verbanden.

Das Holonyak Micro and Nanotechnology Lab der University of Illinois stellt Sah neben andere herausragende Persönlichkeiten, die das Erbe der Halbleiterforschung auf dem Campus geprägt haben. Die Geschichte des Labors beschreibt eine Entwicklung von der Transistorära bis zu modernen integrierten Schaltungen, an der Sah mitwirkte. Der historische Überblick des Labors ist auf der Website des Holonyak Micro and Nanotechnology Lab zu finden.

Die Forschenden des Labors sind Teil eines bedeutenden halbleiterwissenschaftlichen Erbes, das mit den herausragenden Ingenieuren John Bardeen, Nick Holonyak Jr. und Chih-Tang Sah begann. Ihre bahnbrechende Arbeit trug dazu bei, die heutige Revolution der Informationstechnologie anzustoßen und voranzubringen.

Wie CMOS alles veränderte

CMOS, kurz für komplementäre Metalloxid-Halbleitertechnologie, ist die Arbeitspferd-Technologie hinter den meisten Chips. Im Kern besteht sie aus komplementären Paaren von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, kurz MOSFETs. Ein Transistortyp, der p-Kanal-Typ, leitet bevorzugt Strom, wenn das Eingangssignal niedrig ist. Der andere, der n-Kanal-Typ, leitet bevorzugt Strom, wenn das Eingangssignal hoch ist. Indem Ingenieure diese beiden Typen für jedes Logikgatter zu einem Team zusammenfügten, schufen sie Schaltungen mit sehr geringem statischem Stromverbrauch und hoher Unempfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen. Nennenswerter Strom fließt nur beim Schalten der Schaltung. Das bedeutet weniger Wärme im Ruhezustand und eine höhere Energieeffizienz.

Warum CMOS weniger Strom verbraucht

Betrachten wir das einfachste Logikelement, den Inverter. Bei einem CMOS-Inverter leitet der p-Kanal-Transistor, wenn das Eingangssignal niedrig ist, während der n-Kanal-Transistor gesperrt ist. Ist das Eingangssignal hoch, leitet der n-Kanal-Transistor und der p-Kanal-Transistor ist gesperrt. Bei jedem gültigen Logikpegel ist ein Bauelement ausgeschaltet, wodurch der stetige Stromfluss begrenzt wird. Strom wird hauptsächlich beim Laden und Entladen winziger Kapazitäten während des Schaltvorgangs verbraucht. Diese Eigenschaft ermöglichte lange Akkulaufzeiten bei tragbaren Geräten, eine hohe Integrationsdichte auf Chips und eine stetig steigende Komplexität, ohne dass der Stromverbrauch entsprechend zunahm.

CMOS wurde 1963 bei Fairchild eingeführt und gewann an kommerzieller Bedeutung, als RCA Ende der 1960er-Jahre die ersten integrierten CMOS-Schaltungen herstellte. In den 1980er-Jahren hatte die Technologie andere Logikfamilien überholt. Heute findet sich CMOS in Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, statischem RAM, Bildsensoren und der Steuerlogik unzähliger Systeme. Auch wenn sich die physische Form der Transistoren weiterentwickelt und FinFETs sowie Gate-All-Around-Strukturen frühere planare Designs ablösen, bleibt CMOS das grundlegende Logikprinzip. Viele moderne Chips stapeln Komponenten zudem dreidimensional und verwenden fortschrittliche Gehäusetechnologien. Sie beruhen jedoch weiterhin auf denselben komplementären Schaltprinzipien, für die sich Sah und Wanlass einsetzten.

Von Fairchild in den Hörsaal

Fairchild Semiconductor spielte eine überragende Rolle beim Aufstieg des Silicon Valley. Das Unternehmen versammelte Wissenschaftler und Ingenieure, die Verfahren und Bauelemente entwickelten, mit denen die integrierte Schaltung ihren ersten Aufschwung erlebte. In diesem Umfeld bewegte sich Sah zwischen grundlegender Bauelementetheorie und den praktischen Anforderungen von Fertigung und Entwurf. Diese Erfahrung brachte er anschließend in den Hörsaal ein.

Lehre und Betreuung

An der University of Illinois trug Sah dazu bei, ein fundiertes Verständnis von Siliziumbauelementen und ihrem Verhalten zu vermitteln. Damit stärkte er den Nachwuchs, der später die nächsten Chipgenerationen entwerfen und bauen sollte. Das Holonyak Micro and Nanotechnology Lab, dessen Wurzeln auf Persönlichkeiten wie John Bardeen und Nick Holonyak Jr. zurückgehen, verbindet diese Grundlagenforschung bis heute mit aktuellen Entwicklungen. Das Labor zeichnet diese Entwicklung in seiner eigenen Geschichte unter hmntl.illinois.edu nach. Die akademische Forschung und die Zusammenarbeit mit der Industrie machten aus CMOS eine nahezu universelle Plattform. Ein aktueller Beitrag in der Fachzeitschrift Materials argumentiert, dass CMOS die dominierende Grundlage digitaler Systeme bleibt, während neue Materialien und Bauelementtypen für analoge Anwendungen, Speicher und neuromorphes Rechnen erforscht werden, sofern sie sich in eine CMOS-kompatible Fertigung integrieren lassen. Diese Einschätzung spiegelt die Reife und Widerstandsfähigkeit der Plattform wider, die Sah mit auf den Weg brachte.

Ein Vermächtnis in Smartphones, Flugzeugen und KI-Beschleunigern

Sahs Einfluss zeigt sich in jeder Tasche und auf jedem Schreibtisch. Die digitale Logik, die Softwarebefehle ausführt, die Speicherfelder, in denen Daten abgelegt werden, die Sensoren, die Bilder aufnehmen, und die Funktechnik, die Geräte verbindet: Sie alle beruhen auf CMOS-Verfahren. Von Flugcomputern in Flugzeugen bis zu Steuerungssystemen in Autos und Raumfahrzeugen setzen Entwickler auf CMOS, weil die Technologie energieeffizient, zuverlässig und skalierbar ist.

Alltagstechnik auf CMOS-Basis

Auch die Chips, die Cloud-Dienste und künstliche Intelligenz antreiben, basieren auf CMOS. Nvidias H200-Beschleuniger, eines der bekanntesten Produkte in dieser Kategorie, wird mit fortschrittlicher CMOS-Prozesstechnologie hergestellt. Beschränkungen für den Export solcher Hochleistungschips sind zu einem Streitpunkt zwischen den Vereinigten Staaten und China geworden. Die geopolitische Lage ist komplex, doch die wissenschaftliche Grundlage ist einfach: Das komplementäre Schalten, das den Stromverbrauch senkt und eine hohe Integrationsdichte ermöglicht, ist der gemeinsame Nenner dieser Durchbrüche und der Kern von CMOS.

Warum diese Heimkehr für China heute wichtig ist

Die Rückführung von Sahs Asche nach Fujian hat kulturelle und wissenschaftliche Symbolkraft. Er war Honorarprofessor an der Universität Xiamen. Sein Weg von Peking in Forschungslabore und Hörsäle rund um die Welt spiegelt die chinesische Wissenschaftsdiaspora des vergangenen Jahrhunderts wider. China investiert massiv in die Ausbildung, Forschung und Fertigung im Halbleiterbereich. Die grundlegenden Konzepte, die Sah voranbrachte, darunter komplementäre Logik und die präzise Kontrolle der Bauelementephysik, sind für diese Bestrebungen zentral.

Exportkontrollen, Veränderungen in den Lieferketten und der Wettlauf um kleinere, schnellere und energieeffizientere Chips haben Halbleiter ins Zentrum nationaler Strategien gerückt. CMOS ist für Ingenieure jedoch eine gemeinsame Sprache. Ob in Peking, Taipeh, Hsinchu, Seoul, Austin oder Dresden: Die Methoden und Modelle, die dem Verhalten von Transistoren zugrunde liegen, werden auf ähnliche Weise gelehrt und angewandt. Diese gemeinsame Grundlage gehört zu Sahs Vermächtnis. Sie wird Ingenieure auch künftig dabei leiten, mehr Leistung und einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen.

Die Wissenschaft einfach erklärt

Ein MOSFET, das grundlegende Bauelement in CMOS, ist ein winziger Schalter, der den Stromfluss mithilfe eines elektrischen Feldes steuert. Man kann sich einen Kanal in einem Halbleiter vorstellen, an dessen Enden sich Source- und Drain-Anschluss befinden. Eine dünne isolierende Oxidschicht trennt den Kanal von einer Gate-Elektrode. Wird eine Spannung an das Gate angelegt, zieht das Bauelement Ladungsträger im Kanal an oder stößt sie ab. Oberhalb einer bestimmten Schwellenspannung entsteht ein leitender Pfad und Strom fließt. Unterhalb dieser Spannung ist der Pfad unterbrochen und der Stromfluss kommt bis auf winzige Leckströme zum Erliegen.

Was ein MOSFET bewirkt

In der CMOS-Logik zieht ein n-Kanal-MOSFET den Ausgang bei hohem Eingangssignal auf Masse. Ein p-Kanal-MOSFET zieht den Ausgang bei niedrigem Eingangssignal zur Versorgungsspannung. Die beiden arbeiten gegeneinander, sodass in stabilen Logikzuständen immer nur einer leitet. Dadurch ist der statische Stromverbrauch von Logikgattern nahezu null. Das ist ein zentraler Grund dafür, dass CMOS zur bevorzugten Technologie für digitale Schaltungen wurde.

Stromverbrauch und Skalierung

Der Stromverbrauch von CMOS hat zwei Hauptursachen. Dynamischer Stromverbrauch entsteht beim Laden und Entladen von Kapazitäten während des Schaltens. Leckstrom entsteht durch kleine Ströme, die auch dann fließen, wenn Transistoren ausgeschaltet sind. Er fällt stärker ins Gewicht, wenn die Bauelemente kleiner werden. Ingenieure senken den Stromverbrauch mit Schaltungstechniken wie Clock-Gating und dynamischer Spannungsskalierung, durch eine sorgfältige Platzierung und Verdrahtung sowie durch verbesserte Bauelementstrukturen. FinFET- und Gate-All-Around-Transistoren ermöglichen eine bessere Kontrolle des Kanals, verringern Leckströme und unterstützen die weitere Skalierung. Auch Zuverlässigkeit ist wichtig. Entwickler bauen Schutzstrukturen gegen elektrostatische Entladungen ein und berücksichtigen Belastungen, durch die Metallleitungen mit der Zeit beschädigt werden können. Über die digitale Logik hinaus ermöglicht CMOS präzise Analogfunktionen, Bildsensorik und Funkschaltungen für 5G sowie die Forschung an 6G. So reicht Sahs Einfluss in nahezu jeden Bereich der Elektronik.

Letzte Würdigungen und Pläne für die Beisetzung

Mit der Überführung von Sahs Asche nach Fujian schließt sich der Kreis seines Lebenswegs. Er war ein Wissenschaftler von weltweiter Bedeutung: Seine Arbeit begann in China, reifte in den Vereinigten Staaten und verbreitete sich anschließend über Studierende, Fachartikel und Produkte auf allen Kontinenten. Die Beisetzung in seiner Heimatprovinz würdigt sowohl seine persönlichen Wurzeln als auch die Dankbarkeit vieler Menschen. Die Universität Xiamen, an der er eine Ehrenprofessur innehatte, gehört zu den Institutionen, die an sein Wirken erinnern.

Von den Werkbänken bei Fairchild über Hörsäle bis hin zu Reinräumen auf der ganzen Welt zeigt der Weg von CMOS die Reichweite von Sahs Ideen. Jedes Mal, wenn ein Gerät schnell startet und nur wenig Strom verbraucht, wirkt ein Teil seiner Erkenntnis fort. Ein Vermächtnis, das ebenso lange Bestand hat wie das Silizium, das es geprägt hat.

Die wichtigsten Punkte

• Die Asche von Chih-Tang Sah wurde aus den Vereinigten Staaten zur Beisetzung nach Fujian gebracht
• Sah und Frank Wanlass entwickelten 1963 bei Fairchild gemeinsam das CMOS-Konzept, auf dem moderne Chips beruhen
• Laut einem Lehrbuch von Sorin Voinigescu nutzten 2011 rund 99 Prozent der integrierten Schaltungen CMOS
• Sah lehrte an der University of Illinois und der University of Florida, veröffentlichte rund 280 Fachartikel und betreute Doktoranden
• CMOS ermöglichte energieeffiziente Logik für Smartphones, Computer, Luft- und Raumfahrtsysteme sowie KI-Beschleuniger wie Nvidias H200
• Seine Rückkehr fällt in eine Zeit, in der China seine Chipindustrie ausbauen will und Exportkontrollen für fortschrittliche Prozessoren gelten
• Sah war Honorarprofessor an der Universität Xiamen und wird in Wissenschaft und Industrie gewürdigt
• Fortschritte wie FinFET und Gate-All-Around halten das CMOS-Prinzip auch für neue Chipgenerationen zentral