22FDX zeigt IoT-Traktion auf dem MWC 2018

von: Dave Lammers

Wettbewerber im Bereich Internet der Dinge werden auf dem kommenden Mobile World Congress (MWC 2018) in Barcelona, Spanien, ihre Chipdesigns vorstellen, darunter mehrere Start-ups, die den 22FDX®-Prozessvon GLOBALFOUNDRIES verwenden.

Anup Savla, Chief Technology Officer bei Nanotel Technology, sagte, dass sein junges Unternehmen mehrere Chips für den Einsatz im Schmalband-IoT-Bereich (NB) entwickelt. Savla, der nach einer dreijährigen Tätigkeit bei Intel 11 Jahre lang Wireless-ICs bei Qualcomm entwickelt hat, sagte, Nanotel habe sich für den 22FDX-Prozess entschieden, um den Stromverbrauch für sein NB-IoT-Modem mit gemischten Signalen zu senken.

"Wir haben eine digitale Engine, einen Prozessor, der für IoT-Anwendungen entwickelt wurde, bei denen der Schwerpunkt auf niedrigem Stromverbrauch und geringen Leckagen liegt. Beim 22FDX gibt es Knöpfe, mit denen man den Stromverbrauch und die Leckage reduzieren kann. Die Möglichkeiten, dies zu tun, sind unvergleichlich, und diese Art von Möglichkeiten gibt es bei CMOS-Bauelementen einfach nicht", sagte er.

Das Design des Nanotel-Transceivers begann, bevor die ersten 22FDX-Design-Kits offiziell veröffentlicht wurden, und zwar mit einem 0,5-PDK, aber mit Bibliotheken, die auf die Betriebsspannung von 0,4 V ausgerichtet waren. "Wir haben von Anfang an auf die 0,4-V-Bibliothek abgezielt. Der Grund dafür ist, dass man bei 0,8 V im Vergleich zu einem CMOS-Bulk-Prozess nicht genügend Leistungsunterschiede hat. Bei 0,4 V ist der Stromverbrauch deutlich niedriger, und das zu ähnlichen Kosten wie bei einem CMOS-Prozess", sagte er.

Auf die Frage nach der Umstellung auf einen FD-SOI-Prozess antwortete Savla: "Wir hatten einfach die typischen Probleme der frühen Anwender. Ein Teil davon waren die zusätzlichen Modellierungs- und Testanforderungen für die Verwendung des Backgates, aber das wird unabhängig von der Reife des Prozesses so bleiben. Das ist nicht unbedingt ein Nachteil. Wenn man die Möglichkeiten dieses Prozesses wirklich ausschöpfen will, dann sollte man die Spannung des Backgates variieren, aber das ist mit zusätzlichen Modellierungsaufgaben verbunden."

Savla sagte, dass das Design des Nanotel-Chipsatzes zu gleichen Teilen aus digitalen und analogen Komponenten besteht. "Innerhalb desselben Designs können wir Schalter mit Backgate-Steuerung verwenden, um den Leckstrom zu unterbrechen, wenn das Gerät im Grunde genommen schläft und nicht benutzt wird, und zwar in einem Ausmaß, das bei CMOS-Bauelementen nicht ohne weiteres möglich ist. Andererseits können wir das Backgate in Active-Mode-Bauelementen verwenden, um einen aktiven Betrieb mit sehr, sehr geringer Versorgung zu ermöglichen."

Nanotel konzentriert sich nicht in erster Linie auf den Verkauf von ICs, sondern auf die Entwicklung von Geräten und Datenpaketen für seine Kunden, mit denen sie kostengünstige Verbindungen mit großer Reichweite zum Mobilfunknetz herstellen können, ohne auf WiFi angewiesen zu sein. Der eigene Chipsatz gibt Nanotel die Möglichkeit, Kosten zu senken und einzigartige Funktionen für seine Kunden zu entwickeln, sagte er.

Dual-Mode-Konnektivitätslösungen

Die führenden Low-Power-Wide-Area (LPWA)-Verbindungsstandards - LTE-M, das auf dem US-Markt an Bedeutung gewinnt, und Narrowband IoT (NB-IoT), das in Europa und Asien eingeführt wird - werden laut ABI Research die IoT-Implementierungen bis 2021 voraussichtlich auf fast eine halbe Milliarde erhöhen.

GF und VeriSilicon entwickeln eine IP-Suite, mit der Kunden Single-Chip-LPWA-Lösungen entwickeln können, die entweder LTE-M oder NB-IoT, also eine Dual-Mode-Lösung, unterstützen. Die IP ermöglicht ein komplettes Mobilfunkmodem-Modul auf einem einzigen Chip, einschließlich integriertem Basisband, Power Management, RF-Funk und Front-End-Komponenten.

VeriSilicon bietet mit Silicon Platform as a Service (SiPaaS) geistiges Eigentum, das es seinen Kunden ermöglicht, sich auf differenzierende Merkmale zu konzentrieren. Wayne Dai, CEO von VeriSilicon, sagte, dass die chinesische Regierung die landesweite Einführung von NB-IoT für das kommende Jahr anstrebt. Die neue 300-mm-Fertigung von GF für FDX in Chengdu und IP-Plattformen wie die Single-Chip-Lösung für integriertes NB-IoT und LTE-M "werden einen erheblichen Einfluss auf Chinas IoT- und AIoT-Industrie (AI of Things) haben".

Ein Picoamp pro Mikron

Anubhav Gupta, Director of Strategic Marketing and Business Development for IoT, AI & Machine Learning bei GF, sagte, dass einige Kunden ältere Multi-Chip-Designs nehmen und Single-Chip-Lösungen in 22FDX erstellen. "Aufgrund der effizienten SOI-FET-Stapelung für hohe PA-Leistung und hohe Schaltlinearität ergeben sich Flächen-, Leistungs- und Kostenvorteile bei der Umstellung auf ein einziges Die in 22FDX. Wir sehen einen geringen Kurzkanaleffekt, eine höhere Transkonduktanzverstärkung, eine deutlich bessere Fehlanpassung und ein geringeres Rauschen als bei vergleichbaren Designs in 28nm-Bulk."

Auf der digitalen Seite, so Gupta, ermöglicht die Body-Biasing-Fähigkeit dem Kunden einen Betrieb mit bis zu 0,4 V und Standby-Leckströmen von weniger als einem Picoampere pro Mikron. Außerdem bietet GF jetzt eingebetteten MRAM mit sehr schnellem Wakeup, einer ähnlichen Lesegeschwindigkeit wie bei Flash, aber einer 1000-fach höheren Schreibgeschwindigkeit. Wenn eMRAM in Kombination mit On-Chip-SRAM verwendet wird, können Kunden auf Off-Chip-Flash vollständig verzichten, so Gupta.

Ein Fahrplan erforderlich

Dan HutchesonCEO des in Santa Clara, Kalifornien, ansässigen Marktforschungsunternehmens VLSI Research Inc, führte im Jahr 2016 eine Umfrage unter Designern durchdurch und fragte sie nach ihrer Meinung zu vollständig verarmtem Silizium-auf-Isolator (FD-SOI) im Vergleich zu Bulk-CMOS. "Das Problem, so sagten die Leute damals, sei, dass sie nicht wüssten, ob es eine Roadmap gebe. Seitdem hat GF die 12FDX™-Plattform als Nachfolgerin des 22FDX entwickelt, so dass diese Frage vom Tisch sein sollte."

Hutcheson sagte, er glaube, dass es Entwürfe von Unternehmen gebe, die ihre Karten auf den Tisch legten. "Seit 2016 ist viel mehr IP verfügbar, und GF hat mit 12FDX das Problem der Roadmap angegangen, so dass 22 nicht nur eine Sache aus einem Guss ist.

STMicroelectronics, das bereits mehrere FD-SOI-Designs mit 28 nm in Produktion hat, kündigte kürzlich an, dass es den 22FDX-Prozess von GF als nächste Station seiner FD-SOI-Roadmap nutzen wird.

Ein Sprecher von STMicroelectronics sagte: "Da 22FDX die aktive Bauelemente (Transistoren) der zweiten Generation integriert, war es für ST selbstverständlich, die 22FDX-Technologie von GF als unsere nächste Technologie zu wählen, nachdem wir bereits die 28-nm-FD-SOI-Technologie einsetzen."

Der Sprecher sagte, dass ST die Entwicklung des 22FDX-Technologieknotens in Dresden positiv bewertet, da dieser nun für die Volumenproduktion qualifiziert und bereit für die Hauptphase ist, so dass er von ST sofort für die Entwicklung von Produkten genutzt werden kann. Die Wafer-Kapazität und die Erfahrung des Fertigungsteams in Dresden "geben uns Vertrauen in die Fähigkeit von GF zur Qualifizierung und Serienfertigung."

Leistungsoptimierter" Vision-Prozessor

Jens Benndorf, Geschäftsführer der Dream Chip Technologies GmbH (Hannover, Deutschland), sagte, dass sein Team 0,8-V-Bibliotheken für seinen "leistungsoptimierten" Automotive-Vision-Prozessor verwendet hat. Dream Chip war federführend in einem von der EU unterstützten Entwicklungsprojekt, an dem ARM's A53 Quad und Cortex®-R5 Lockstep für funktionale Sicherheit, Cadence's quad Vision P6, FlexNOC von Arteris IP, LPDDR4 Controller von INVECAS und andere IP-Partner beteiligt waren. Der resultierende Multi-Core-Vision-Prozessor, der auf dem 22FDX-Prozess basiert, wurde erstmals vor einem Jahr auf dem MWC 2017 vorgestellt. Seitdem bietet das Design europäischen Automobilherstellern und Tier-1-Automobilzulieferern eine Plattform, auf der sie kundenspezifische Derivate entwickeln können.

"Die Automobilindustrie hat erkannt, dass ihre Lösungen für das assistierte Fahren neben Radar und Lidar mehr Kamerainformationen benötigen, indem sie Informationen von mehreren Kameras integrieren. Das daraus resultierende Multi-Prozessor-Chip-Design nutzte Forward Biasing, um die Leistung zu steigern, und kein Back Biasing", sagte Benndorf. Das Ergebnis war eine 64 mm² große Bildverarbeitungslösung mit schätzungsweise 1 Milliarde Transistoren und einer Leistungsaufnahme von 4 Watt, was laut Benndorf "ein sehr aggressiver Wert für den Stromverbrauch ist, wenn man bedenkt, wie viel Bildverarbeitung auf dem Chip stattfindet."

Riot Micro setzt auf Cellular Links

Während das Design von Nanotel zu gleichen Teilen digital und analog ist, hat ein anderes Startup, das den 22FDX-Prozess nutzt, ein rein digitales NB-IoT-Modem-Design. Peter Wong, CEO des in Vancouver ansässigen Unternehmens Riot Micro, sagte, dass der Ansatz seines Unternehmens, der keine digitale Signalverarbeitung (DSP) verwendet, es IoT-Kunden ermöglicht, große Teile des Chips abzuschalten, um Strom zu sparen. Das ist besonders für batteriebetriebene IoT-Edge-Geräte willkommen, die möglicherweise ein Jahrzehnt lang mit einer Batterie betrieben werden müssen.

Das erste Design von Riot Micro wurde mit einem konkurrierenden foundry's 55nm Bulk-CMOS durchgeführt, aber ein Nachfolgechip ist im 22FDX-Prozess. Das LTE Cat-M/NB-IoT-Modem von Riot Micro enthält einen Ultra-Low-Power-Prozessor, der den Protokollstack ausführt. "Wir haben Designmethoden aus der Bluetooth-Welt übernommen, um den Stromverbrauch und die Kosten zu senken. Der PHY wird mit Gattern anstelle eines DSP mit einem eng gekoppelten und hoch optimierten Protokollstack entwickelt, was uns eine sehr fein granulare Leistungskontrolle über das Modem ermöglicht", so Wong.

"Der Nutzen von 22FDX liegt für uns in der potenziellen Einsparung von Strom und Fläche", so Wong. "Darüber hinaus hilft die Nutzung des wachsenden Ökosystems der IP-Verfügbarkeit im 22FDX-Prozess, die Markteinführung zu beschleunigen".

Das Riot Micro Design ist ein digitales Mobilfunkmodem, das die Mobilfunkstandards LTE Cat-M und NB-IOT unterstützt. Wong sagte, dass das Riot Micro Modem in diesem Jahr von mehreren großen Mobilfunkanbietern zertifiziert werden wird. Ein Kunde im Nahen Osten plant, es für ein Notfallalarmsystem zu verwenden.

"Es gibt viele Möglichkeiten, Dinge mit dem Internet zu verbinden: WiFi, Bluetooth, Zigbee, Mobilfunk, usw... und es gibt Anwendungsfälle, die auf alle passen, aber für viele Anwendungen hat der Mobilfunk so viele Vorteile. Mobilfunk ist von Natur aus sicherer, einfach zu implementieren, bietet Mobilität, und das Spektrum ist lizenziert und verwaltet. Man schaltet es einfach ein und stellt eine Verbindung her. Man muss sich nicht um das Spektrum kümmern, das wird alles vom Betreiber verwaltet", sagte er und nannte Asset-Tracker und Asset-Management als wichtige Anwendungen.

Quelle: Riot Micro -
Schmalbandige IoT-Netzwerke nutzen das Mobilfunknetz für Weitverkehrsnetze bei geringem Stromverbrauch

Integrierte Energieverwaltung

Laut Gupta sieht GF bei einigen Mixed-Signal-IoT-Kunden eine Tendenz zu einer Stromversorgung von 0,4 Volt für die digitalen Schaltungen und 0,8 bis 1,8 Volt für die analogen Teile. "Die Verfügbarkeit von LDMOS in 22FDX macht eine externe PMU (Power Management Unit) für stromsparende IoT-Anwendungen überflüssig. Typischerweise gibt es in Bulk-Prozessen keine Hochspannungs-LDMOS, und da viele IoT-Anwendungen mit Lithium-Ionen-Batterien arbeiten, würden diese Anwendungen einen externen Stromumwandlungschip für batteriebetriebene Anwendungen erfordern."

Und die 0,4-V-Designs haben genug digitale Leistung, um beispielsweise einen ARM-Kern zu unterstützen, der mit Geschwindigkeiten von 100 Mhz bis unter 500 MHz läuft, so Gupta.

Tim Dry, Segment Marketing Director bei GF, erklärt, dass Ingenieure die analogen Designmöglichkeiten der 22FDX-Technologie durch den Einsatz von dynamischem Body-Biasing immer besser verstehen. "Es hat sich herausgestellt, dass SOI-Body-Biasing viele analoge Skalierungen ermöglicht, die wir bis vor kurzem nicht verstanden haben. Für ADCs (Analog-Digital-Wandler), Funkgeräte und Leistungskomponenten glauben wir, dass wir die Die-Fläche viel kleiner machen können als mit bestehenden Planar- und potenziell FinFET-Bauteilen."

Die 22FDX-Lösungen für IoT-Systeme wie intelligente Zähler, Augmented-Reality- und Virtual-Reality-Headsets, Versorgungssteuerung und Sicherheitskameras können den Stromverbrauch senken. "Intelligente Lautsprecher sind eine weitere Anwendung, die viel Aufmerksamkeit erregt", sagte Dry.

Weitere Informationen zu den FDX™-Lösungen von GF erhalten Sie auf dem MWC vom 27. Februar bis 2. März in der Fira Gran Via in Barcelona, Spanien. Dort erfahren Sie, wie die Technologieplattformen von GF mit dem Übergang zu 5G eine neue Ära der "vernetzten Intelligenz" ermöglichen, oder besuchen Sie globalfoundries.com.

Über den Autor

Dave Lammers

Dave Lammers

Dave Lammers schreibt für Solid State Technology und ist Blogger für die Foundry Files von GF. Dave Lammers begann über die Halbleiterindustrie zu schreiben, als er Anfang der 1980er Jahre im Tokioter Büro von Associated Press arbeitete, einer Zeit des schnellen Wachstums der Branche. 1985 wechselte er zur E.E. Times, für die er in den folgenden 14 Jahren von Tokio aus über Japan, Korea und Taiwan berichtete. Im Jahr 1998 zogen Dave, seine Frau Mieko und ihre vier Kinder nach Austin, um ein texanisches Büro für die E.E. Times einzurichten. Als Absolvent der University of Notre Dame erwarb Dave einen Master-Abschluss in Journalismus an der University of Missouri School of Journalism.