1. April 2021 von Gary Dagastine In früheren Zeiten bestand der Weg nach vorn für Halbleiterunternehmen darin, ein Vermögen und unzählige Arbeitsstunden in die Suche nach Möglichkeiten zur Verkleinerung von Halbleiterbauelementen zu investieren, da die Verkleinerung zu einer dramatisch höheren Leistung führte, die viele neue Anwendungen eröffnete. Die Fortschritte, die die Branche in den letzten Jahrzehnten gemacht hat, haben jedoch viele Technologieplattformen hervorgebracht, die bereits sehr leistungsfähig sind und die kostengünstig um neue Funktionen und Fähigkeiten erweitert werden können, um sie an neue Anforderungen anzupassen. Als weltweit führender Hersteller von Spezialhalbleitern mit einem ständig wachsenden Angebot an differenzierten Lösungen für sich entwickelnde Anwendungen ist GlobalFoundries (GF) ein Beispiel für diesen Ansatz der Technologieentwicklung. Nirgendwo wird dies deutlicher als in dem Bestreben des Unternehmens, eine führende Rolle in der drahtlosen 6G-Kommunikationstechnologie einzunehmen. GF bietet eine Reihe von Plattformen und Lösungen, die sich nicht nur in den anspruchsvollsten Kommunikationsanwendungen bewährt haben, sondern deren volles Potenzial noch nicht ausgeschöpft ist. Dazu gehören die 22FDX™-Plattform und die 22FDX+-Lösungen von GF sowie die RF-SOI- und SiGe-Lösungen (Silizium-Germanium) von GF. Sie stellen einen überzeugenden Weg zu 6G dar, der nächsten Generation drahtloser Kommunikationstechnologien, die voraussichtlich gegen Ende dieses Jahrzehnts auf den Markt kommen wird. In unserem letzten Blog über die Führungsrolle von GF in der 6G-Technologie haben wir das University Partnership Program des Unternehmens beschrieben. Im Rahmen dieses Programms bietet GF mehr als 35 Hochschulteams Zugang zu Technologien, die mit den Forschungs- und Entwicklungsmitarbeitern von GF in verschiedenen Bereichen wie 6G zusammenarbeiten. Sie tauschen ihre Forschungsergebnisse aus, um die Plattformen von GF mit neuen Funktionen und Möglichkeiten auszustatten, veröffentlichen Forschungsergebnisse auf technischen und akademischen Konferenzen, entdecken neue Anwendungsmöglichkeiten und führen Studenten in diese Technologien ein, die dann während ihrer gesamten beruflichen Laufbahn mit ihnen vertraut sein werden. Wir haben einen unserer Forschungspartner vorgestellt, Gabriel Rebeiz, Ph.D., Distinguished Professor an der University of California San Diego. Er ist ein Pionier auf dem Gebiet der integrierten Phased Arrays für Kommunikations- und Verteidigungssysteme und leitet eine Vielzahl von Forschungsprojekten, die von Breitband-Systemen in 45RFSOI bis hin zu 140-GHz-Phased-Arrays reichen. In diesem Blog stellen wir drei weitere hochkarätige Hochschulpartner vor, die uns über ihre Forschung, den Einsatz der Technologien von GF und die Bedeutung der Zusammenarbeit mit GF für sie und ihre Studenten berichten. Ihre unterschiedlichen Erfahrungen und Forschungsinteressen veranschaulichen das Engagement von GF im Bereich 6G und zeigen, wie die Strategien und Technologien des Unternehmens dazu beitragen, dass Fortschritte im Bereich 6G möglich, besser, schneller und kostengünstiger als sonst sind: Einstein Prof. Friedel Gerfers, Ph.D., ist Inhaber des Lehrstuhls für Mixed-Signal-Schaltungsentwurf an der Technischen Universität Berlin (TU Berlin), wo er ein Einstein-Stipendium erhalten hat, um seine Arbeit auf dem Gebiet des Mixed-Signal-Schaltungsentwurfs für 5G/6G-Kommunikationssysteme fortzusetzen. Die Einstein Stiftung Berlin, die von der Landesregierung gegründet wurde, um Spitzenwissenschaft und -forschung zu fördern, finanziert sein kosten- und personalintensives Hochfrequenzlabor, eines von nur zwei Laboren in Deutschland, das elektrische und optische Systeme bis zum D-Band (bis zu 170 GHz) vollständig testen und charakterisieren kann. Prof. Aarno Parssinen, Ph.D., arbeitet im Zentrum für drahtlose Kommunikation (CWC) an der Universität Oulu in Finnland. Prof. Parssinen ist eine wichtige Figur in der 6G-Flaggschiff-Initiative der Universität und arbeitet eng mit dem finnischen Unternehmen Nokia zusammen, einem der weltweit führenden Telekommunikations- und Netzwerkunternehmen. Prof. Hua Wang, Ph.D., ist Direktor des Center of Circuits and Systems (CCS) am Georgia Institute of Technology. Sein Team arbeitet eng mit vielen Halbleiterunternehmen zusammen. Prof. Wang hat mehrere hoch angesehene akademische Auszeichnungen erhalten, darunter das DARPA Director's Fellowship. Er ist bekannt für seine Beiträge zu energieeffizienten RF/mmWave-Breitbandschaltungen, neuartigen Transceiver-Array-Architekturen und Antennen-Elektronik-Ko-Designs, die die F&E-Aktivitäten der Industrie maßgeblich beeinflusst haben. Ideen in Silizium verwandeln Prof. Gerfers leitet an der TU Berlin derzeit 15 Doktoranden bei der Erforschung von 5G/6G-Architekturen und -Lösungen, hauptsächlich unter Verwendung der 22FDX-Plattform, und forscht außerdem an Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologien wie Automotive Ethernet und optischer Kommunikation. Ein aktuelles Projekt ist die Erforschung des weltweit ersten monolithisch integrierten 6G-Transceivers. Ziel ist es, herauszufinden, welche anderen Technologien mit der 22FDX-Technologie integriert werden können, um Bandbreiten von 10-15 GHz auf dem gesamten Weg von der Antenne zum digitalen Bit zu erreichen. Er hat einen Hintergrund in der Unternehmensforschung bei Philips, Intel, Inphi und Apple sowie in zwei Start-ups, Alvand Technologies und Aquantia. Er kam 2015 an die TU Berlin und begann im selben Jahr, mit GF zu arbeiten. Die erfolgreichen Kooperationen mit GF haben seitdem an Zahl und Intensität zugenommen, sagt er. Prof. Gerfers sagte, dass Energieeffizienz und robuste Leistung bei Hochfrequenzanwendungen wichtige unerfüllte Anforderungen für zukünftige 6G-Mobilfunksysteme sind. "Nicht nur in Deutschland, sondern auch weltweit hat man zunehmend das Gefühl, dass die Mikroelektronik in vielen gesellschaftlich und technologisch relevanten Bereichen zu einem Engpass wird. Deshalb ist das Programm, das GlobalFoundries ins Leben gerufen hat, so wichtig. Es ist ein Schlüssel für den weiteren Fortschritt in der Mikroelektronik, denn es ermöglicht uns den Zugang zu einer Spitzentechnologie, die wir brauchen, um unsere Ideen und Innovationen in Silizium umzusetzen", sagte er. "Die außergewöhnliche Leistung und die Merkmale der 22FDX-Technologie bieten einen breiten Anwendungsbereich. Wir verwenden sie zum Bau von Transceivern mit hoher Bandbreite, und es gibt nur wenige planare Transistoren, die die angestrebte Leistungseffizienz erreichen und gleichzeitig das strenge Rausch- und Phasenrauschbudget einhalten. Wir glauben, dass die 22FDX-Technologie das Potenzial hat, weit über 250 GHz hinaus eingesetzt zu werden, und damit optimal für unsere Technologien und Anwendungen geeignet ist, die wir ansprechen wollen. Darüber hinaus verwenden beispielsweise deutsche Automobilhersteller FDX-basierte ICs nicht nur, weil sie stromsparend sind, sondern auch, weil die Technologie robust genug ist, um die strengen Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen." Prof. Gerfers wies auch darauf hin, dass FDX-basierte Schaltungen im Vergleich zu FinFETs einfacher und für Studenten leichter zu entwerfen und auszulegen sind, und dass es ohne das Hochschulpartnerschaftsprogramm praktisch unmöglich wäre, die Leistungseffizienz unserer Schaltungslösungen nachzuweisen, wenn wir mit planaren Transistoren bei 28 nm oder noch älteren Knoten arbeiten würden. Überbrückung der Kluft zwischen Wissenschaft und Industrie Finnland kann auf eine lange und bedeutende Geschichte in der Entwicklung der mobilen Kommunikation zurückblicken. Hier wurde GSM (der 2G-Standard) entwickelt und 1991 zum ersten Mal eingesetzt; hier hat das Branchenriese Nokia seinen Sitz; und hier wurde 2018 die 6G-Flagship-Initiative, eines der weltweit ersten und größten 6G-Forschungsprogramme, gestartet. Prof. Parssinen von der Universität Oulu sagte, dass das akademische Engagement mit der Industrie für weitere Fortschritte notwendig sei. "In Finnland haben wir Akademiker diese aufstrebende Industrie von Anfang an mit vorangetrieben. Unsere Rolle bestand immer darin, die Kluft zwischen klassischen akademischen Studien und Produktentwicklungsaktivitäten von Unternehmen zu überbrücken, und wir waren bei 2G, 3G, dann 4G ganz vorne mit dabei und helfen der Welt bei der Einführung von 5G", sagte er. "Wir haben hier in Oulu ein umfangreiches Programm rund um die 6G-Technologie aufgebaut. Es stimmt, dass 5G erst in den Startlöchern steht und dass es viele Herausforderungen gibt, die damit einhergehen, an denen wir arbeiten. Dennoch ist es jetzt an der Zeit, nach vorne zu blicken, denn so lange es auch dauert, grundlegende Studien durchzuführen, so lange dauert es auch, dieses Wissen an den Punkt zu bringen, an dem die Industrie es effektiv nutzen kann", sagte er. "Die Aufgabe der Universität ist es, nach vorne zu schauen und zu versuchen, Dinge zu tun, von denen wir noch nicht wissen, wie sie zu tun sind. Das ist der eigentliche Zweck der Wissenschaft". Prof. Parssinen ist Experte für zellulare Schaltungen und Transceiver bis zu 5G und darüber hinaus. Während seines Studiums leitete er das Team, das den ersten 3G-Schaltkreis auf einem einzigen Chip herstellte, und später war er einer der Mitgestalter des Bluetooth LE-Standards (Low Energy). Er war 10 Jahre lang im Nokia Research Center tätig und gehörte dem CEO Technology Council des Unternehmens an. Außerdem hatte er wichtige Funktionen in der Technologieentwicklung bei Renesas und Broadcom inne. In Oulu leitet er ein Team von etwa 20 Mitarbeitern, das sich aus Doktoranden und anderen Professoren zusammensetzt und versucht, zukünftige Anwendungsanforderungen zu verstehen und entsprechende Schaltungen und Systeme zu entwickeln. Ihre Forschung umfasst Phased Arrays, Antennendesign, effiziente Strahlformung und andere relevante Themen. Das Team entwickelt auch ein hochentwickeltes Labor zur Messung der Leistung von Funksystemen über die Luft. "Wir arbeiten mit den Technologien 22FDX und 45RFSOI von GlobalFoundries, und die Unterschiede zwischen den beiden sind faszinierend. Die Integrationsfähigkeit der 22FDX-Technologie ist überragend und wir lernen immer noch etwas über ihre Fähigkeiten, was bedeutet, dass für unsere Studenten, die IC-Design betreiben, die Möglichkeit, damit zu arbeiten, ein einzigartiger Vorteil ist", sagte er. "Wir haben im Laufe der Jahre viel mit der 45RFSOI-Technologie gearbeitet, und weil wir damit mehr Erfahrung haben, verwenden wir sie für unsere größeren Chips." "Der Zugang zu Silizium und die Freiheit, innovative Ideen zu erforschen, sind wesentliche Vorteile unserer Beziehung zu GlobalFoundries, und es ist wunderbar, dass wir unsere Arbeit im Rahmen des Programms mit anderen Professoren teilen können, die ebenfalls an der Spitze stehen", sagte er. "Wir konkurrieren in gewissem Sinne mit ihnen, aber unsere Arbeit profitiert auch von ihrem Wissen und dem stattfindenden Austausch." Ein Traumsystem für die drahtlose Zukunft Das Center of Circuits and Systems (CCS) an der Georgia Tech steht im Mittelpunkt der Bemühungen der Universität, Hochfrequenzelektronik für Kommunikations-, Radar- und Gesundheitsanwendungen zu entwickeln, so der Direktor und GF-Partner Prof. Hua Wang, Ph.D. Das CCS-Zentrum der Georgia Tech beherbergt acht Mitglieder der Kernfakultät, mehr als 90 Doktoranden und 12 Postdocs. Prof. Wang ist seit 2012 an der Georgia Tech tätig. Vor seiner akademischen Laufbahn arbeitete er bei Intel und Skyworks Solutions, wo er die Entwicklung neuartiger Lösungen für mm-Wave-Schaltungen und -Systeme sowie kostengünstiger zellularer Front-End-Module (FEMs) leitete. Zu den Schwerpunkten des GT CCS-Zentrums gehört die Erforschung integrierter RF/mmWave/THz-Schaltungen und -Systeme für die Kommunikation und Sensorik jenseits von 5G und 6G. Weitere Forschungsthemen im Bereich der drahtlosen Kommunikation sind das Co-Design von Antennen und Elektronik, Leistungsverstärker und künstliche Intelligenz (KI) unterstützte adaptive RF/mmWave-Schaltungen und MIMO-Systeme. Das CCS-Zentrum verfügt auch über ein breites Forschungsportfolio in den Bereichen Hochleistungsrechnen, kryogene Elektronik, Bioelektronik und Biosensoren, Sicherheit auf der physikalischen Ebene und KI-basierte Entwurfsautomatisierung. "Wir konzentrieren uns stark auf die Innovation von drahtlosen Schaltkreisen und Systemen, insbesondere auf die Steigerung der Ausgangsleistung, der Bandbreite und der Rekonfiguration von HF/mm-Wellen-FEM-Elektronik", sagte er. "All dies ist für 5G und darüber hinaus sehr wichtig, denn je höher die Frequenz, desto höher der Signalwegverlust, und um diesen zu überwinden, muss jedes Schaltungselement einfach leistungsstärker sein. Da immer mehr dieser mm-Wave-Systeme in Arrays eingesetzt werden, wird auch das Wärmemanagement schwierig, und Energieeffizienz war noch nie so wichtig wie heute." "Für die künftige drahtlose Kommunikation besteht eine unserer wichtigsten Prioritäten darin, angesichts des zunehmenden Einsatzes komplexer, spektral effizienter Modulationen optimale Wege zu finden, um Informationen mit einer massiven Datenrate bei hoher Linearität zu übertragen und zu empfangen", sagte er. Laut Prof. Wang besteht auch ein wachsender Bedarf an der gemeinsamen Entwicklung von Antennen und Schaltkreisen, da die Wellenlängen bei höheren Frequenzen kürzer werden und sie nun den Punkt erreicht haben, an dem sie die gleichen Abmessungen haben wie planare elektronische Schaltkreise. "Dies eröffnet faszinierende Möglichkeiten für die Kombination von Leistung, Filterung, Rauschunterdrückung und sogar STAR-Kommunikation direkt im Antennenbereich, aber alles muss ganzheitlich betrachtet werden", sagte er. "Zum Beispiel haben wir jetzt die Möglichkeit, die Architektur der drahtlosen Frontend-Systeme neu zu gestalten und zu überlegen, wie verteilte Elektronik und Strahlungsstrukturen zusammen komplexe elektromagnetische Signale modulieren, senden und empfangen können. Und wir können ihre Verwendung für Kommunikation, Bildgebung und Sensorik erforschen. Viele Innovationen in diesem Bereich müssen sich jedoch auf Co-Designs mit unterschiedlichem Fachwissen auf verschiedenen Abstraktionsebenen stützen. Co-Design ist auch auf der Ebene des Gehäuses wichtig - die Frage ist, ob die Antenne auf das Gehäuse oder auf den Chip gehört. Laut Prof. Wang bieten die Technologieplattformen von GF in dieser Hinsicht viele Vorteile. "Die 45RFSOI-Plattform hat einen hohen spezifischen Widerstand im Substrat und kann für hocheffiziente mmWave-Frontend-Schaltungen und -Antennen verwendet werden. Für 5G haben wir sie und die 22FDX-Plattform verwendet, weil sie perfekt für Anwendungen mit hohem mmWave-Anteil geeignet sind. Darüber hinaus sehen wir Perspektiven für SiGe-Bauelemente auf der Grundlage verschiedener Studien, die darauf hindeuten, dass ihre Fmax - ein Maß für die Transistorgeschwindigkeit - auf 700 GHz und mehr gesteigert werden kann, und die Technologie eignet sich für hohe Erträge und eine effiziente Fertigung." Prof. Wang gibt zu bedenken, dass Geschwindigkeit nur eine entscheidende Anforderung an künftige drahtlose Hochfrequenzsysteme ist. Genauso wichtig ist die Fähigkeit, die Signalkomplexität in unbekannten oder dynamischen Umgebungen mit geringer Latenz zu bewältigen. "Mein Traumsystem würde fortschrittliche SiGe-Bauelemente mit hochleistungsfähigen CMOS-Technologien integrieren, um die erforderliche Konfiguration für die nächste Generation der drahtlosen Elektronik zu erreichen. Glücklicherweise ist beides für mich und meine Studenten dank GlobalFoundries verfügbar."
