Ich hatte die besondere Gelegenheit, exklusive Röntgenaufnahmen eines meiner Lieblingschips – dem ESP8266 – zu machen. Diese Bilder erlauben einen faszinierenden Blick hinter die Kulissen eines Mikrocontrollers. Sie zeigen, was sich unter dem Gehäuse verbirgt, und enthüllen die inneren Strukturen, die normalerweise verborgen bleiben. Dabei spielt es keine Rolle, ob wir den ESP8266, einen anderen Mikrocontroller oder eine moderne CPU betrachten – die grundlegenden Prinzipien der Halbleitertechnik bleiben ähnlich. Diese seltenen Einblicke bieten eine ideale Gelegenheit, um zu zeigen, wie die Technologien, die unseren Alltag prägen, tatsächlich aufgebaut sind.

Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass das Bauteil mit der Antenne und der Beschriftung ESP-12F der eigentliche Mikrocontroller ist. Doch das ist ein Irrtum. In Wahrheit ist dieser große metallene Block nur ein Gehäuse, das den Mikrochip im Inneren schützt. Solche Metallgehäuse, auch Abschirmgehäuse genannt, sind bei Mikrocontrollern und vielen anderen elektronischen Bauteilen üblich. Sie schirmen die empfindliche Elektronik vor elektromagnetischen Störungen ab und sorgen gleichzeitig für eine effektive Wärmeableitung. Im Inneren des Gehäuses befindet sich der eigentliche, vergleichsweise kleine Mikrochip – der ESP8266.

Auch wenn es auf den folgenden Röntgenbildern etwas verwirrend aussieht, da die Platine doppelt bestückt ist und somit auch weitere Bauteile von der Rückseite sichtbar sind, zeichnet sich der Mikroprozessor klar ab und hat seine typische Form. Neben dem Prozessor sind im Gehäuse des ESP-12F auch weitere wichtige Komponenten zu finden, wie beispielsweise Spannungsregler, Kondensatoren und Widerstände, die für die Funktion des Moduls entscheidend sind. Alles ist im Gehäuse verpackt, wodurch die gesamte Schaltung zu einer geschlossenen Einheit wird, die dann auf der Platine Platz findet. Ein Blick auf das Röntgenbild zeigt es:

Nachdem wir das Gehäuse und die darin enthaltenen Komponenten betrachtet haben, widmen wir uns nun dem Herzstück eines Mikrocontrollers und eines jeden PCs: dem Prozessor.

Der Mikroprozessor ist, wie in der Abbildung zu sehen, in ein gegossenes Gehäuse integriert. Dieses Gehäuse schützt ihn vor äußeren Einflüssen und stellt gleichzeitig die notwendigen Pins bereit. Die Pins, welche rund um die Fläche des Gehäuses angeordnet sind, ermöglichen die Verbindung des Mikroprozessors mit der Platine und den anderen Komponenten des Schaltkreises. Die große Fläche in der Mitte des Gehäuses dient zudem der Kühlung des Prozessors. Wir befinden uns an diesem Punkt in einer Größenordnung von 5 mm x 5 mm.

Im Inneren der vergossenen Einhausung befindet sich der Siliziumchip, der dem Mikroprozessor seine gesamte Logik verleiht – das eigentliche Gehirn, das auf nahezu atomarer Ebene arbeitet und die Verarbeitung von Informationen sowie die Steuerung der Abläufe übernimmt. Silizium ist der Hauptbestandteil der meisten modernen Mikroprozessoren und spielt eine zentrale Rolle in der Halbleitertechnik. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften ist Silizium ein ideales Material für die Mikroelektronik, da es als Halbleiter fungiert – es kann unter bestimmten Bedingungen elektrischen Strom leiten und unter anderen nicht.

Um die Funktionalität des Mikroprozessors zu gewährleisten, müssen die relevanten Signale vom Siliziumchip nach außen geleitet werden. Dies geschieht über die Pins des Gehäuses, die für die Verbindung mit anderen Komponenten vorgesehen sind. Die sogenannten Bonding-Drähte, die den Siliziumchip mit diesen Pins verbinden, sind entscheidend für die Kommunikation zwischen dem Mikroprozessor und den anderen Bauteilen.

Im Folgenden sehen wir eine Nahaufnahme des Mikroprozessors im vergossenen Gehäuse. Auf dem Bild sind die Bonding-Drähte zu erkennen, die den Siliziumchip mit den Pins verbinden. Diese Drähte sind sehr klein, weshalb ich einige von ihnen rot nachgezeichnet habe, um ihre Position und Bedeutung zu verdeutlichen.

Durch die Dimensionen dieser Drähte wird klar, in welchem Maßstab wir uns hier bewegen. Die typischen Durchmesser von Bonding-Drähten liegen im Bereich von etwa 20 bis 100 Mikrometern. Diese winzigen Verbindungen sind entscheidend für die Kommunikation zwischen dem Mikroprozessor und den anderen Bauteilen des Schaltkreises. Obwohl die Bonding-Drähte bereits sehr klein erscheinen, sind sie im Vergleich zu den Strukturen eines Siliziumchips riesig. Diese Strukturen ermöglichen die komplexen Funktionen des Mikroprozessors und verdeutlichen, wie fortschrittlich die Mikroelektronik heute ist. Ab diesem Moment kann man weitere Details nur noch mit einem Rasterelektronenmikroskop erkennen.

Bildquelle Silicon Layout: Espressif ESP8266 WiFi-serial interface : weekend die-shot

Etwa die Hälfte der Chipfläche wird vom Transceiver und dem Leistungsverstärker eingenommen, während rund 25% für den internen Cache-Speicher von rund 300kb reserviert sind. Der verbleibende Platz gehört dem Xtensa LX106 CPU-Kern. Es ist beeindruckend, dass auf einem Raum von gerade einmal etwa 2,05 mm x 2,17 mm sowohl 80 KB RAM als auch ein kompletter TCP/IP-Stack sowie diverse Schnittstellen für Peripheriegeräte untergebracht sind. Dieser Mikroprozessor ist somit ein sogenannter SoC – System on a Chip – der alle notwendigen Funktionen für Kommunikation, Datenverarbeitung und andere integrierte Aufgaben bereitstellt.

Ein wesentlicher Bestandteil dieser Architektur sind die Transistoren, die den Großteil der Struktur eines Silizium-Chips ausmachen. Bei einer Strukturgröße von rund 40 Nanometern – etwa 1.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar – wird es möglich, Millionen von Transistoren auf einer winzigen Fläche unterzubringen. Diese Miniaturisierung bildet die Grundlage für die enorme Rechenleistung und Energieeffizienz moderner Chips. Doch 40 Nanometer gelten heute fast als „alt“: Die 3-Nanometer-Technologie ist bereits etabliert, und IBM hat kürzlich Transistoren in der 2-Nanometer-Technologie vorgestellt – ein Meilenstein, der die Grenzen der Miniaturisierung weiter verschiebt. Um das zu verdeutlichen:

Das kleinste und am häufigsten vorkommende Atom, das Wasserstoff-Atom, misst etwa 0,025 Nanometer im Durchmesser (dargestellt auf der rechten Seite der Abbildung). Ein Wassermolekül, bestehend aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom, hat einen Durchmesser von etwa 0,3 Nanometern (dargestellt mittig auf der Abbildung). Moderne Transistoren, dargestellt auf der linken Seite der Abbildung, liegen mit ihrer Strukturgröße von wenigen Nanometern nur knapp über der atomaren Skala. Obwohl Transistoren im direkten Größenvergleich zu Atomen noch relativ groß erscheinen, verdeutlicht der Vergleich mit einem menschlichen Haar die Größenordnung: Ein Haar ist etwa 20.000-mal dicker als heutige 2-Nanometer-Transistoren. Diese winzigen Komponenten sind der Grund, warum moderne Prozessoren aus mehreren Milliarden Transistoren bestehen können. Der M3 Pro von Apple Silicon umfasst beispielsweise beeindruckende 37 Milliarden Transistoren.

Letztendlich ist es faszinierend zu sehen, wie weit die Miniaturisierung in der Technologie vorangeschritten ist. Moderne Transistoren, die nur wenige Nanometer groß sind, bilden die Grundlage für die leistungsstarken Geräte, die wir heute täglich nutzen. Diese Technologien haben unser Leben revolutioniert und sind in vielen Anwendungen allgegenwärtig.