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Ingenieure bitte mal helfen

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  1. Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: Adminator 19.02.07 - 15:15

    Ähm wie stellt man bitte 700 Millionen Transistoren auf einem Schnipsel Silizium her, von denen auch nicht einer kaputt ist/nach drei Wochen/Monaten/Jahren kaputt geht?

    Ich kapiers nicht.

    Bitte nur ernstgemeinte Zuschriften mit mathematischer/statistischer Lösung dieses unerklärlichen Phänomens.

    Danke,
    Adminator

  2. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: meta 19.02.07 - 15:32

    Die Transistoren sind in diesen Chips halt ultraklein, derzeit in 90, 65 oder sogar 45 Nanometer Strukturgröße. Mit entsprechend hochauflösenden Steppern (Belichter) und einigen Tricks kann man sogar kleinere Strukuren herstellen, als die Wellenlänge des verwendeten "Lichts" sonst möglich. Die Lithographie wird mittlerweile mit Elektronenstrahlen betrieben.

    Dass der ganze Kram nicht kaputt geht, ist in den Materialeigenschaften der Chips begründet. Für derartig hohe Leistungen wird das Silizium gestreckt (strained), also gezielt verunreinigt. Das kann man sich wie eine Legierung aus Metallen vorstellen, deren positive Eigenschaften sich ergänzen.

    Solange also die Rahmenbedingungen (vorrangig die Betriebstemperatur) eingehalten werden, ist ein Ausfall erst nach langer Betriebszeit zu erwarten. Ich kann mir gut vorstellen, dass auch der Ausfall einzelner Schaltelemente kompensiert werden kann.

    Für genauere Erklärungen empfehle ich Wikipedia, einschlägige Fachliteratur und schliesslich ein Ingenieursstudiengang.

  3. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: Imrazor 19.02.07 - 15:35

    Meines Wissens stellt man die Microchips so her, dass es "Reservetransistoren" gibt, die zugeschalten werden, wenn welche ausfallen (gibts auch bei RAM).

    Zum anderen durchlaufen solche Chips eine immense Endkontrolle, damit sichergestellt wird, dass die Teile funktionieren. Angeblich bestehen bei der RAM-Herstellung 50% der Kosten nur aus Funktionstests.

    Die Lebensdauer eines auf Silizium basierenden Chips wird dabei oft auf etwa 10 Jahre gesetzt, so lange müssen die Dinger bei normaler Anwendung durchhalten.

    Sorry, aber ne mathematische/statistische Lösung kann ich auf die schnelle nicht bieten ;-) Da müsst ich schon in meinem Mikroelektronik/Mikrosystemtechnik Skript nachschlagen und das hab ich nicht zur Hand...


    Gruß

    Imrazor (angehender Elektroingenieur)





    Adminator schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > Ähm wie stellt man bitte 700 Millionen
    > Transistoren auf einem Schnipsel Silizium her, von
    > denen auch nicht einer kaputt ist/nach drei
    > Wochen/Monaten/Jahren kaputt geht?
    >
    > Ich kapiers nicht.
    >
    > Bitte nur ernstgemeinte Zuschriften mit
    > mathematischer/statistischer Lösung dieses
    > unerklärlichen Phänomens.
    >
    > Danke,
    > Adminator


  4. Re: Danke für die Allgemeinplätze...

    Autor: Adminator 19.02.07 - 15:41

    ... die leider die Frage nicht beantworten.

    Vielleicht nochmal deutlicher: Wie kann man überhaupt von IRGEND ETWAS 700 Millionen Stück herstellen, ohne dass ein einziges Stück Ausschuss entsteht?

    Welche statistischen Phänomene muss man in dieser Stückzahldimension beachten, und wie hoch sind die Sicherheitsfaktoren, damit man eine solche unvorstellbare Performance beim Herstellungsprozess erreichen kann?

  5. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: al'be:do 19.02.07 - 15:46

    Für Strukturen, die kleiner als die Wellenlänge sind, wird der Interferenzeffekt genutzt. Näheres dazu findet man bei Wikipedia oder in jedem Oberstufen-Physikbuch.

    Soweit ich weiß, gibt es kein echtes "Verfallsdatum" bei Transistoren. Probleme entstehen eher durch Überspannung und, daraus resultierend, "durchgebrannte" Transistoren.

  6. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: Stefan....... 19.02.07 - 15:53

    An einer Statistik wär ich auch interessiert! Selbst mit meinem abgeschlossenem Mikroelektronik-Studium könnt ich da nix statistisch zeigen, einfach weil kein mir bekannter Hersteller die Ausbeuteraten veröffentlicht.

    Also schau mal bitte in dein Skript ob da wirklich was drin steht, und falls ja poste es doch mal!

    Imrazor schrieb:
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    > Meines Wissens stellt man die Microchips so her,
    > dass es "Reservetransistoren" gibt, die
    > zugeschalten werden, wenn welche ausfallen (gibts
    > auch bei RAM).
    >
    > Zum anderen durchlaufen solche Chips eine immense
    > Endkontrolle, damit sichergestellt wird, dass die
    > Teile funktionieren. Angeblich bestehen bei der
    > RAM-Herstellung 50% der Kosten nur aus
    > Funktionstests.
    >
    > Die Lebensdauer eines auf Silizium basierenden
    > Chips wird dabei oft auf etwa 10 Jahre gesetzt, so
    > lange müssen die Dinger bei normaler Anwendung
    > durchhalten.
    >
    > Sorry, aber ne mathematische/statistische Lösung
    > kann ich auf die schnelle nicht bieten ;-) Da
    > müsst ich schon in meinem
    > Mikroelektronik/Mikrosystemtechnik Skript
    > nachschlagen und das hab ich nicht zur Hand...
    >
    > Gruß
    >
    > Imrazor (angehender Elektroingenieur)
    >
    > Adminator schrieb:
    > --------------------------------------------------
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    > > Ähm wie stellt man bitte 700 Millionen
    >
    > Transistoren auf einem Schnipsel Silizium her,
    > von
    > denen auch nicht einer kaputt ist/nach
    > drei
    > Wochen/Monaten/Jahren kaputt geht?
    >
    > Ich kapiers nicht.
    >
    > Bitte nur
    > ernstgemeinte Zuschriften mit
    >
    > mathematischer/statistischer Lösung dieses
    >
    > unerklärlichen Phänomens.
    >
    > Danke,
    >
    > Adminator
    >
    >


  7. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: Phisoloph 19.02.07 - 16:03

    Hallo!

    Die genaue Antwort zu dieser Frage zu geben entspricht dem Umfang eines mehrjährigen Studiums der Elektrotechnik ;-)

    Einen etwas weniger Zeitintensiven Überblick über die technischen Verfahren bieten die beiden folgenden Links:

    http://de.wikipedia.org/wiki/Halbleitertechnologie
    http://de.wikipedia.org/wiki/Fotolithografie

    Allgemein kann man aber evtl folgendes sagen:

    Die Planung solcher Monsterchips erfolgt mehr oder weniger wie die Programmierung einer großen Software. statt jeden einzelnen der 700mio Transistoren mit seinen zehn Verdrahtungsebenen per Hand auf die Belichtungsmasken zu "malen" schreibt man die gewünschte Funktion in einer speziellen Hardwareprogrammiersprache. Der zugehörige Compiler macht dann daraus die Layouts. Je nach Bedarf kann man dann natürlich noch in diesen fertigen Layoutvvorschlägen einige Optimierungen per Hand einfügen.

    Oft werden auch nur die jeweiligen Funktionsblöcke (speichercontroller, FPU usw) in solchen Sprachen erstellt und dann die daraus resultierenden Layouts manuell zu einem kompletten Prozessor "zusammengepuzzelt"

    Es ist also nicht erforderlich, irgendeinen Menschen einzustellen der eine Übersicht über 700mio Transistoren hat :-)


    Die Herstellung der Prozessoren erfolgt dann entsprechend der Wiki-Artikel. Um hier die von dir hinterfragten Fehler auszuschließen werden extrem saubere Reinräume benötigt. Operationssäle in Krankenhäusern sind im Vergleich zu einer Chipfabrik die reinsten Müllhalden.

    Trotzdem kann dies natürlich nicht garantieren, dass nirgends ein Fehler auftritt. Auf jedem Waver sind immer irgendwo defekte Chips usw, man hat also immer Ausschuss. Der Fachbegriff hierzu ist die Yield-Rate. Nach Heise.de hat beispielsweise intel momentan bei den desktop-cpus eine yeld-rate von grob 75%.

    Um diese weiter zu steigern, werden Chips zunehmend modular aufgebaut. Bei den CPUs kann beispielsweise ein defekt in einem der Caches einfach toleriert werden indem man diese defekte Cachebank ausschaltet und den Prozessor dann als low-end-version verkauft. Oder, anders: wenn bei einem Pentium 4 irgendwelche Caches defekt sind, kann man ihn als Celeron verkaufen (vereinfacht gesprochen). Gerade bei Grafikchips ist dies tatsächlich gängig Praxis: Zuerst werden alle Chips identisch hergestellt. Anschließend wird getestet, was alles defekt ist. Fehlt ein Teil des Speicherbusses, wird halt (wie damals beim TNT2-M64) eine Grafikkarte mit geringerem Speicherdurchsatz draus gemacht.

    Der nv80 von NVidia hat bis zu 128 (glaube ich) interne Recheneinheiten. Hier ist aber öfters mal welche defekt, daher verkauft nVidia auch low-end-karten in denen nur 96 dieser Einheiten aktiviert sind.

    Gleiches gilt für den Takt: alle CPUs und GPUs einer Baureihe werden identisch hergestellt. Da die nur wenige Atomlagen dicken Halbleitermaterialien jedoch nie vollkommen identisch auf dem Chip wachsen, reagieren sie auch unterschiedlich gut auf hohe Takte. Dies wird ebenfalls nach der Herstellung getestet. So kann es z.B. sein dass ein Chip problemlos mit 1 Ghz läuft während der unmittelbar darauffolgende nur noch 800 Mhz verkraftet. üblicherweise wreden hier 2-4 Klassen definiert, so dass beispielsweise alle chips die irgendwo zwischen 800 und 1000 mhz laufen als 800er verkauft werden während alles über 1000 mhz als 1000er verkauft wird.

    Das erklärt auch warum manche chips besser übertaktbar sind als andere - wenn man eine gpu erwischt die noch mit 950 mhz stabil läuft, wurde sie trotzdem als 800er verkauft - und lässt sich somit sehr viel besser übertakten als eine 800er gpu, die tatsächlich nur 810 mhz verträgt.



    Letzte Frage: Langzeitstabilität. Es stimmt wirklich dass Halbleiter "abnutzen" können, auch wenn dieser vorgang nicht mit der mechanischen abnutzung von z.B. Autos vergleichbar ist. Siehe hierzu auch
    http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenmigration
    Allgemein kann man aber sagen, dass dieser Prozess umso schneller abläuft je näher der Chip an seinen physikalischen Grenzen betrieben wird - weshalb extrem übertaktete CPUs schneller kaputt gehen als andere. Dies hat jedoch nichts mit dem oft genannten "durchbrennen" zu tun sondern meistens mit der langsamen Veränderung der Prozessorstruktur durch die o.g. Elektronenmigration. Genaue Zahlen hierzu lassen sich aber kaum nennen da sie von sehr vielen Faktoren abhängig sind.

    Gruß, Sascha

  8. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: gasthoerer 19.02.07 - 16:03

    Naja - man muss sich das nicht so sehr als die Herstellung von 700 Millionen Einzelteilen sondern von einem großen gemusterten Ganzen vorstellen. Bei einem karierten Blatt Papier fragt man ja auch nicht danach, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Kästchen rund wurde.

    Wobei man sicher auch dafür Statistiken aufstellen könnte.

    Grüße,
    ein Gasthoerer


    Adminator schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > Ähm wie stellt man bitte 700 Millionen
    > Transistoren auf einem Schnipsel Silizium her, von
    > denen auch nicht einer kaputt ist/nach drei
    > Wochen/Monaten/Jahren kaputt geht?
    >
    > Ich kapiers nicht.
    >
    > Bitte nur ernstgemeinte Zuschriften mit
    > mathematischer/statistischer Lösung dieses
    > unerklärlichen Phänomens.
    >
    > Danke,
    > Adminator


  9. Re: Danke für die Allgemeinplätze...

    Autor: meta 19.02.07 - 16:09

    Adminator schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > ... die leider die Frage nicht beantworten.
    >
    > Vielleicht nochmal deutlicher: Wie kann man
    > überhaupt von IRGEND ETWAS 700 Millionen Stück
    > herstellen, ohne dass ein einziges Stück Ausschuss
    > entsteht?
    >

    Das ist derzeit nicht mit vertretbarem Aufwand machbar.


    > Welche statistischen Phänomene muss man in dieser
    > Stückzahldimension beachten, und wie hoch sind die
    > Sicherheitsfaktoren, damit man eine solche
    > unvorstellbare Performance beim
    > Herstellungsprozess erreichen kann?

    Gehe mal von 5% Verlust im Betrieb aus. Abhängig von der Strukurgröße, den Fertigungsverfahren und der Wafer-Größe (derzeit 300mm bei Intel) hat man mehr oder weniger Ausbeute (yield). Da die monokristallinen Wafer sehr teuer sind, stellt das einen "Sicherheitsfaktor" dar, den es wirtschaftlich zu rechtfertigen gilt. Sorry, aber wenn du mehr wissen willst, dann frage doch bei AMD/Intel an, vielleicht schenken die gerade dir unternehmenskritische Infos. ;-)


  10. Re: Danke für die Allgemeinplätze...

    Autor: Alien 19.02.07 - 16:14

    Adminator schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > ... die leider die Frage nicht beantworten.
    >
    > Vielleicht nochmal deutlicher: Wie kann man
    > überhaupt von IRGEND ETWAS 700 Millionen Stück
    > herstellen, ohne dass ein einziges Stück Ausschuss
    > entsteht?
    >
    > Welche statistischen Phänomene muss man in dieser
    > Stückzahldimension beachten, und wie hoch sind die
    > Sicherheitsfaktoren, damit man eine solche
    > unvorstellbare Performance beim
    > Herstellungsprozess erreichen kann?


    erstens durch gute umweltbedingungen.
    zweitens weils trotzdem ein haufen ausschuss gibt
    ein typischer waver muesste heute zwischen 10 und 20 zoll durchmesser haben darauf bekommst du viele chips da diese i.d.R. nur 10x10mm gross sind. diese werden durch belichtung, und ätzen zu den chip. das größte geheimnis dabei ist aber die durchgehende qs kette wenn ein fehler auftritt wird er sofort analysiert die maschienen dementsprechend kalibiert und wenns am matrial lag die ganze fuhre zum absender zurück gesendet.

    zum klima beindungen was dort gibt es normen die besagen das nur 10 staubkörner auf einen qm luft kommen duerfen je grösser die struktur um so unwichtiger dieser faktor. dann wird beim ätzen belichten usw auf den menschen verzichtet der dadurch ist den bereichen kein luftaustausch nötig was wiederum reinheit bringt. usw.

    lange rede kurzer sinn sauberkeit und hoheanspruche an maschienen menschen und rohmatrial. undtrotzdem haben sie run 30-80% ausschuss wobei gilt je näher an der mitte desto höher die chance das das teil heil ist..

    aus diesen grund konnte man damals die amds gut übertakten die mit hoher mhz also der k6 2 500 stammte aus der mitte der amd k350 vom rand. so jedenfalls die legende.

    Alles Wichtige und Unwichtige wird unter http://blog.gunarsenf.de Kommentiert.

  11. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: :-) 19.02.07 - 16:38

    gasthoerer schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > Naja - man muss sich das nicht so sehr als die
    > Herstellung von 700 Millionen Einzelteilen sondern
    > von einem großen gemusterten Ganzen vorstellen.
    > Bei einem karierten Blatt Papier fragt man ja auch
    > nicht danach, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist,
    > dass ein Kästchen rund wurde.
    >
    > Wobei man sicher auch dafür Statistiken aufstellen
    > könnte.
    >
    > Grüße,
    > ein Gasthoerer
    >
    >


    Genau das macht ja den Siegeszug der integrierten Microelektronik aus. Der ganze Chip wird zu einem einzelnen Bauteil.

    Würde man 1000 Monsterplatinen mit je 700 Millionen Einzeltransistoren bestücken, so würde nicht eine einzige Platine funktionieren.

  12. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: Zyklopenauge 19.02.07 - 16:40

    Adminator schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > Ähm wie stellt man bitte 700 Millionen
    > Transistoren auf einem Schnipsel Silizium her, von
    > denen auch nicht einer kaputt ist/nach drei
    > Wochen/Monaten/Jahren kaputt geht?
    >
    > Ich kapiers nicht.
    >
    > Bitte nur ernstgemeinte Zuschriften mit
    > mathematischer/statistischer Lösung dieses
    > unerklärlichen Phänomens.
    >
    > Danke,
    > Adminator


    das meiste wurde zwar schon gesagt

    aber du darfst dir da nicht 700millionen kleine schaltkreise mit source gate und drain vorstellen sondern einfach nen haufen pn-übergänge (kennste bestimmt, wenn nich dann googlen oder wikipedia)

    den rest guck in den wikipedialink der hier gepostet wurde!

  13. Staub

    Autor: real_Larry 19.02.07 - 17:07

    Wie schon mehrfach angedeutet ... prinzipiell wird der ganze Wafer als ein Stueck erstellt (belichtet, geaetzt, poliert usw.) und nachher werden die einzelnen Chips ausseinandergeschnitten.
    Um auf einer Siliziumscheibe Transistoren zu machen wird das Material nur in minimalem Umfang veraendert.
    Rund drei Chips pro Wafer sind kaputt; meist weil doch ein Staubkorn auf die winzigen Strukturen gekommen ist. Diese sind dann entweder Sondermuell, oder falls nur der L2-Cache (der bei CPUs rund die Haelfte der Flaeche ausmacht) wird der entsprechende Bereich deaktiviert und der Chip hat dann nur halb so viel L2-Cache. Verkauft werden diese Modelle guenstiger als Sempron oder Celeron.

    Aber alle CPU's werden auf Funktionsfaehigkeit getestet und machen einen "Burnout" durch. Das bedeutet sie werden mit etwas zu viel Spannung bei etwas zu hohen Temperaturen betrieben. Die Chips die das ueberstehen kommen auf den Markt.


  14. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: heisedrolli 19.02.07 - 17:09

    Adminator schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > Ähm wie stellt man bitte 700 Millionen
    > Transistoren auf einem Schnipsel Silizium her, von
    > denen auch nicht einer kaputt ist/nach drei
    > Wochen/Monaten/Jahren kaputt geht?
    >

    Ich weiss nicht ob das wirklich der Weg der Wahl ist, aber schau mal unter dem Stichwort Weibull oder Gumbel, b.z.w. Extremwertverteilung nach. Das ist zum Beschreiben unwahrscheinlicher Ereignisse, für die es einen kritischen Wert gibt (Wasser in Staudämmen, Reisfesstigkeit von Materialien und vermutlich auch Alignmentfehler) der richtige Weg....

    Wenn man dann an so eine Verteilung "glaubt" kann man sich wohl weit genug von den kritischen Werte entfernen, dass man die Wahrscheilichkeit für Ausschuss gegen die verschenkte Waferfläche abwägen kann.

  15. Re: Ingenieure bitte mal helfen

    Autor: :-) 19.02.07 - 17:19

    heisedrolli schrieb:
    -------------------------------------------------------
    > Adminator schrieb:
    > --------------------------------------------------
    > -----
    > > Ähm wie stellt man bitte 700 Millionen
    >
    > Transistoren auf einem Schnipsel Silizium her,
    > von
    > denen auch nicht einer kaputt ist/nach
    > drei
    > Wochen/Monaten/Jahren kaputt geht?
    >
    > Ich weiss nicht ob das wirklich der Weg der Wahl
    > ist, aber schau mal unter dem Stichwort Weibull
    > oder Gumbel, b.z.w. Extremwertverteilung nach. Das
    > ist zum Beschreiben unwahrscheinlicher Ereignisse,
    > für die es einen kritischen Wert gibt (Wasser in
    > Staudämmen, Reisfesstigkeit von Materialien und
    > vermutlich auch Alignmentfehler) der richtige
    > Weg....
    >

    Oder man denke an die Millionen Exemplare, die pro Tag von einer Zeitung gedruckt werden. Wieviele Buchstaben mögen das sein? Und wieviele einzelner Buchstaben (bezogen auf die Gesamtmenge) mögen nicht lesbar sein, weil sie entweder fehlen, oder von einem Kleks unlesbar wurden?

    Ich meine dabei den rein zufälligen Fehler, nicht den systematischen, der durch falsche Rechtschreibung in allen Ausgaben entstehen würde.

  16. Danke für die erhellende Diskussion (kwT)

    Autor: Adminator 19.02.07 - 18:28

    (kein weiterer Text)

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