GF treibt Fortschritte bei der nächsten Generation von Fahrzeugradar voran

von Gary Dagastine

Seit 1999, als Mercedes-Benz "dem Auto das Sehen beibrachte", wie es das Unternehmen ausdrückt, hat das Radar in der Automobilindustrie einen langen Weg zurückgelegt. Damals führte Mercedes die erste radarbasierte adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC) ein, die kommerziell eingesetzt wurde, das DISTRONIC-System, das zunächst als Option für ausgewählte Modelle erhältlich war.

Heute ist ACC natürlich Standard in vielen Neuwagen, aber es ist bei weitem nicht die einzige Radaranwendung, und weitere sind auf dem Weg. Moderne Fahrzeuge können mehrere verschiedene Radargeräte für die automatische Notbremsung, die Überwachung des toten Winkels, den Spurwechselassistenten und andere erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS) haben. In nicht allzu ferner Zukunft werden verbesserte Radarfunktionen noch ausgefeiltere Sicherheitssysteme und autonomere Fahrzeuge ermöglichen.

GlobalFoundries (GF), einer der weltweit führenden Halbleiterhersteller, liefert funktionsreiche Lösungen, die es seinen Kunden ermöglichen, allgegenwärtige Chips für wachstumsstarke Marktsegmente, wie z. B. Automobilradar, zu entwickeln. Die verschiedenen Plattformen von GF für diese Anwendung - 22FDX™, RF CMOS und SiGe BiCMOS - bieten eine unübertroffene RF/mmWave-Leistung, hervorragende digitale Verarbeitungs-/Integrationsfähigkeiten und einen Betrieb mit extrem niedrigem Stromverbrauch. Sie werden durch umfassende End-to-End-Services unterstützt, die die hohen Anforderungen der Automobilindustrie an Leistung, Zuverlässigkeit, Qualität, Packaging und Tests erfüllen.

Der GF-Geschäftsbereich Automotive, Industrial and Multi-Market (AIM) ist für Radarlösungen im Automobilbereich sowie für das Internet der Dinge und industrielle Radaranwendungen wie Verkehrsüberwachung und Fabrikautomation zuständig. (Bewegungserkennungsradar für Mobiltelefone ist ein Schwerpunkt des Geschäftsbereichs Mobile and Wireless Infrastructure von GF).

Angesichts des Wachstums und der Bedeutung des Kfz-Radars sprach Foundry Files mit Pirooz Parvarandeh, Chief Technology Officer von AIM, und seinem Kollegen Farzad Inanlou, Chief Technology Officer für Radar- und mmWave-Systeme bei AIM, über zukünftige technische Anforderungen in diesem Bereich.

Die Strategie von GF zur Erfüllung dieser Anforderungen umfasst die Zusammenarbeit mit wichtigen akademischen Forschern im Rahmen des GF University Partnership Program. Vor kurzem haben wir darüber berichtet, wie dieses Programm die 6G-Mobilfunktechnologie voranbringt. Um zu erfahren, wie die Lösungen von GF den Fortschritt in der Kfz-Radartechnik vorantreiben, sprachen wir mit dem akademischen Partner von GF, Sorin Voinigescu, Professor an der Universität Toronto und einer der weltweit führenden Experten für Hochfrequenzelektronik.

Reichweite, Auflösung und Sichtfeld sind entscheidend

Laut Inanlou von GF sind Reichweite, Auflösung und Sichtfeld die wichtigsten Anforderungen an Kfz-Radarsysteme, und in allen Bereichen müssen erhebliche Verbesserungen erzielt werden, um die Ziele der Branche zu erreichen. "Bis zum Ende des Jahrzehnts werden wir Systeme mit einer Reichweite von 300 Metern benötigen - heute sind es etwa 150 Meter -, um die Anforderungen der geplanten ADAS-Systeme zu erfüllen", sagte er.

"Gleichzeitig brauchen wir auch eine höhere Auflösung, um Objekte besser unterscheiden zu können, ähnlich wie bei Lidar. Lidar ist ein komplementäres lichtbasiertes System, das derzeit Objekte realistischer identifizieren kann als Radar, aber es funktioniert nicht gut in Umgebungen mit eingeschränktem Sichtfeld, wie bei starkem Regen oder Nebel. Die Ersetzung von Lidar durch Radar ist wünschenswert, da die Lidar-Technologie in der Regel sperriger, weniger energieeffizient und teurer ist", sagte er.

"Um eine vollständige Schutzzone um das Fahrzeug herum zu schaffen, brauchen wir ein viel größeres Sichtfeld, d. h. die Möglichkeit, das Fahrzeug in alle Richtungen zu überwachen. Dies erfordert vielleicht bis zu 10 verschiedene Radargeräte, die im Fahrzeug verteilt sind.

Erforderlich: Höhere Stufen der Integration

Auch die Integration von CMOS-Bauelementen muss weiter vorangetrieben werden, um ein Kfz-Radar zu entwickeln, das mehr Funktionen bietet und gleichzeitig extrem zuverlässig, sehr energieeffizient und klein ist.

Parvarandeh sagte, eine stärkere Integration werde zu völlig neuen Fähigkeiten führen und den Automobilherstellern neue Möglichkeiten eröffnen. "Nehmen wir an, das Auto vor Ihnen bleibt plötzlich stehen. Der nächste technische Meilenstein, der über die automatische Notbremsung hinausgeht, ist die Fähigkeit, sich umzuschauen und zu berechnen, ob Ihr Auto ausweichen kann, wobei die verfügbare Zeit sowie der Verkehr oder andere Hindernisse in der Nähe Ihres Autos berücksichtigt werden", sagte er. "Dies ist nicht nur für die Sicherheit wichtig, sondern auch, weil es den Autoherstellern eine neue Funktion bietet, mit der sie Kunden anlocken können.

Wie wichtig hoch integrierte Radarsysteme für die Automobilindustrie sind, zeigt die kürzlich bekannt gegebene Vereinbarung zwischen GF und dem Automobilzulieferer Bosch, der GF als Partner für die Entwicklung der nächsten Generation von Millimeterwellen (mmWave)-Automobilradar-System-on-Chip (SoC) ausgewählt hat, unter anderem aufgrund der umfassenden Integrationsfähigkeit der 22FDX RF-Plattform von GF.

"Gegenwärtig arbeitet das Kfz-Radar mit 80 GHz, also mit höheren Frequenzen als der Mobilfunk, und man möchte diese mmWave-Frequenzen auf demselben Chip mit hochleistungsfähigen digitalen CMOS-Fähigkeiten unterbringen, und da kommt die 22FDX-Plattform ins Spiel", so Parvarandeh.

"Der Betrieb mit geringem Stromverbrauch ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, nicht nur, weil Energieeffizienz wünschenswert ist, sondern auch, weil Geräte mit höherer Leistung heißer werden, und der Ort, an dem sich diese Geräte in einem Fahrzeug befinden, eine wichtige Rolle dabei spielt, ob die Wärme effektiv abgeleitet werden kann", sagte er. "Wärme wirkt sich auf die Zuverlässigkeit aus, und wir gehen davon aus, dass es in Zukunft mehr Elektronik in den Fahrzeugtüren und an anderen Stellen geben wird, an denen es sehr schwierig ist, die Wärme abzuleiten, so dass hoch energieeffiziente Lösungen wie 22FDX ein Muss sind."

Die 22FDX-Familie von GF bietet bereits eine hohe Leistung bei geringem Stromverbrauch. Laut Inanlou verfügt GF über technische Roadmaps, um noch höhere Leistungen, Betriebsfrequenzen und Integrationsgrade sowie die höchstmögliche Ft- und Fmax-Leistung in SiGe-Technologie zu erreichen.

Hier kommen die Partnerschaften mit Prof. Voinigescu und anderen ins Spiel. "Derzeit arbeiten wir weltweit mit acht Professoren zusammen, die wichtige Forschungsarbeiten zu Radaren der nächsten Generation durchführen", so Inanlou. "Diese Kooperationen sind wichtig, weil sie zu umfassenden Referenzdesigns und Proofpoints für unsere Technologie führen, die die Arbeit unserer eigenen internen Teams ergänzen, deren mmWave-Referenzdesigns in der Regel auf die Bedürfnisse und Spezifikationen der Industrie zugeschnitten sind."

Weltweiter Experte für Hochfrequenzelektronik

Professor Voinigescu beschäftigt sich seit Anfang der 1980er Jahre mit Hochfrequenzelektronik, als er als Student am rumänischen Polytechnischen Institut seinem Professor bei einem Projekt zur Entwicklung eines 10-GHz-Funkgeräts zur Verbindung von Computern über große Entfernungen assistierte. "Damals verwendeten wir Mikrowellenwellenleiter und diskrete Dioden anstelle von integrierten Schaltungen. Wir brachten diese riesigen, drei Meter breiten Antennen auf den Dächern von Gebäuden an, um die Signale zu senden und zu empfangen, und es schien, als wäre ich ständig dort oben, um sie auszurichten."

Er fuhr fort: "Ich habe mich schon immer für drahtlose und faseroptische Technologien interessiert, weil ich glaube, dass sie für unsere Lebensweise noch notwendiger geworden sind und werden. Ich sehe es so, dass der weitere Fortschritt in diesen Bereichen dem Mooreschen Gesetz entspricht, mit dem Unterschied, dass im Gegensatz zum Mooreschen Gesetz die technischen und wirtschaftlichen Vorteile des kontinuierlichen Fortschritts nicht zu Ende gehen."

Voinigescu promovierte an der Universität von Toronto und arbeitete anschließend bei Nortel Networks, wo er an der Spitze modernster Modellierungsansätze für drahtlose und breitbandige Glasfasertransceiver stand, die mit neuen Halbleitertechnologien wie SiGe gebaut wurden. Nach seinem Ausscheiden bei Nortel war er Mitbegründer von Quake Technologies Inc., das 2001 als erstes Unternehmen weltweit einen 10-Gb-Ethernet-Transceiver auf den Markt brachte.

Als IEEE Fellow und Träger zahlreicher Auszeichnungen der Industrie und Kanadas ist er seit fast zwei Jahrzehnten Professor in Toronto. Seine Schwerpunkte sind integrierte Schaltungen im mmWave- und 100+Gb/s-Bereich, Halbleitertechnologien im atomaren Maßstab und seit kurzem auch Quantencomputer, wo er die 22FDX-Technologie zur Manipulation von Qubits bei bis zu 200 GHz einsetzt.

Er hat etwa ein Dutzend Doktoranden, die für ihre eigenen Arbeiten zahlreiche Auszeichnungen erhalten haben, und eines der am besten ausgestatteten Labors der Hochschule für die Prüfung und Charakterisierung von Geräten und Schaltkreisen bei Frequenzen bis zu 750 GHz.

"Ohne Silizium könnten wir nichts tun"

Viele Jahre lang arbeitete Voinigescu mit IBM an SiGe-Technologien, und diese Beziehung wurde nicht nur fortgesetzt, sondern ausgebaut, als GF vor einigen Jahren die Halbleitereinheit von IBM übernahm.

Ein bemerkenswerter Vorteil für GF ist, dass Voinigescu bereits seit langem mit Bosch, dem 22FDX-Plattformpartner von GF, zusammenarbeitet. "Mein Team arbeitet seit langem mit der Bosch-Forschungsgruppe an SiGe-BiCMOS-Bauteilen für 80-240-GHz-Transceiver, eine Zusammenarbeit, die unter anderem bis heute andauert", sagte er.

Voinigescu sagte, dass die meisten Sensorprojekte, die er in Angriff nimmt, wie z. B. Kfz-Radaranwendungen, im Frequenzbereich von 60-160 GHz liegen, und er arbeitet jetzt fast ausschließlich mit der 22FDX-Technologie. "FDX hat eine einzigartige Eigenschaft, die es uns ermöglicht, Dinge zu tun, die sonst sehr schwierig wären oder zu viel Strom verbrauchen würden", sagte er. "Die Tatsache, dass er über ein Backgate verfügt, ermöglicht es, entweder neue Funktionen zu integrieren oder die Geschwindigkeit der Schaltung zu erhöhen, ohne den Stromverbrauch zu erhöhen, was die Lebensdauer der Geräte verlängert, da es weniger thermische Probleme gibt.

"Wenn man sich also für eine CMOS-Lösung wie 22FDX anstelle von GaAs, InP oder anderen Technologien entscheidet, profitiert man von mehr digitaler Funktionalität und Kontrolle, von Energievorteilen und der Möglichkeit, diese Vorteile auch bei höheren Frequenzen zu nutzen.

Als Beispiel nannte er ein Kfz-Radarsystem, an dem er mit der 22FDX-Plattform arbeitet. Dabei handelt es sich um einen 80/160-GHz-Transceiver mit dualer Polarisation, der im Vergleich zu konkurrierenden Designs eine um 6-10 dB höhere Leistung aufweist.

"Ohne Silizium wären wir nicht in der Lage, irgendetwas zu tun", sagte er.

Eine fruchtbare Partnerschaft

Voinigescu sagte, er schätze die Zusammenarbeit mit GF bei der 22FDX-Plattform. GF ermöglicht ihm den Zugang zur 22FDX-Technologie und bietet ihm die notwendige Unterstützung und Anleitung. Er und seine Studenten charakterisieren die Technologie für verschiedene Anwendungen bei mehr als 100 GHz und teilen die Ergebnisse mit GF.

"Es ist nicht einfach, diese Arbeit zu leisten, aber wir haben unsere Modelle bei über 100 GHz verifiziert", sagte er. "Wenn man sich unsere Arbeit ansieht, erkennt man, dass die 22FDX-Plattform eine attraktive Technologie ist. Das ist ein Gewinn für mein Forschungsteam, GlobalFoundries, deren Kunden und die gesamte Branche."