Von Arvind Narayanan
Direktor, RF-Produktlinie 

In den späten 1980er und frühen 90er Jahren fand an den am wenigsten erwarteten Orten der Welt, in New York und Vermont, eine stille Revolution in der Halbleiterindustrie statt. Man kann nicht einmal dem nerdigsten aller Halbleiter-Enthusiasten einen Vorwurf machen, wenn er nicht aufpasst, denn das Mooresche Gesetz und die Schrumpfung der Silizium (Si)-CMOS-Transistoren beherrschten alle Nachrichten und Schlagzeilen.  

Eine Gruppe von Ingenieuren ritt still und leise auf der Innovationswelle und setzte Germanium (Ge) in Si-Bipolartransistoren ein, um deutlich verbesserte Bauelementeigenschaften zu erzielen, die eine überragende Leistung von HF- und Hochgeschwindigkeits-Analogtransistoren versprechen. Ihre Pionierarbeit unter Verwendung von SiGe-Basistransistoren mit abgestuftem Ge legte den Grundstein für den kommerziellen Erfolg der SiGe-BiCMOS-Technologien auf 8-Zoll-Wafern für verschiedene RF/Wireless- und mmWave-Kommunikationsanwendungen - die Art von Erfolg und breiter Akzeptanz, die nur von einer Handvoll Halbleitertechnologien wie Bulk-CMOS, Gallium-Arsenid (GaAs) und RF-Silicon-on-Insulator (SOI) übertroffen wird.  

Während GF in den letzten 15 Jahren an der Spitze der SOI-Technologie-Innovation stand, liegt das Erbe und die Verantwortung für die Weiterentwicklung der SiGe-BiCMOS-Technologie seit über vier Jahrzehnten bei den Technologieentwicklern und Ingenieuren von GF (früher IBM Microelectronics). Verfolgen wir die Geschichte ein wenig weiter zurück, erleben wir sie noch einmal und sehen wir uns an, was als Nächstes in der Geschichte von SiGe ansteht, die die Vorväter zu Recht als "eine Geschichte der Beharrlichkeit" bezeichnet haben [1].  

GF SiGe Geschichte: Eine Geschichte, bei der die Summe der Teile größer ist als das Ganze 

"Ein nicht ganz so bescheidener Anfang" 

Der erste Teil einer Serie ist in der Regel derjenige, der einen bleibenden Eindruck hinterlässt, und die erste kommerziell erfolgreiche SiGe-Technologie von GF passt in dieses Bild. Vor mehr als einem Jahrzehnt wurde mit der 0,35um SiGe BiCMOS-Technologie [2] namens SiGe5PAe der Grundstein für den Eintritt von SiGe in den Bereich der Wi-Fi-Leistungsverstärker (PA) gelegt, gerade als die Smartphone-Ära ihren Siegeszug antrat. Diese Technologie half den PA-Designern, die beste Kombination aus technischen Leistungsmerkmalen wie hoher Ausgangsleistung, Linearität und Effizienz zu den niedrigsten Kosten zu liefern.  

Als die Nachfrage nach Wi-Fi stieg und neue Wi-Fi-Standards immer strengere Leistungsanforderungen stellten, hat GF die Basisplattform mit verschiedenen Varianten von SiGe5PAXe und SiGe5PA4 weiter verbessert, einschließlich der hochohmigen Substratoptionen, die vollständige Front-End-ICs mit integrierten HF-Schaltern und rauscharmen Verstärkern (LNA) mit einem PA ermöglichen. Mit jeder Variante wurden die Grenzen der Wi-Fi-PA-Leistung weiter verschoben, indem die PA-Leistung verbessert und gleichzeitig die PA-Zuverlässigkeit und -Robustheit für fortschrittliche WiFi-Standards erhöht wurde. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Merkmale der 350-nm-SiGe-BiCMOS-Technologien von GF, die die verschiedenen Anwendungen und Segmente ermöglichen. 

Was als bescheidenes Unterfangen begann, hat sich zu einem großen kommerziellen Erfolg entwickelt: Die 0,35um SiGe-Technologien von GF sorgen für nahtlose Wi-Fi-Erlebnisse auf High-End-Smartphones und Tablets. Heute dominieren diese Technologien weiterhin die PAs, die in Wi-Fi-Front-End-Modulen (FEM) in Smartphones eingesetzt werden, und haben auch bei Wireless-Infrastrukturanwendungen wie PA-Pre-Driver an Bedeutung gewonnen.  

"Ein großer Sprung in den Weltraum und darüber hinaus" 

Normalerweise sind Fortsetzungen selten besser als die ursprüngliche Geschichte oder Serie. Es gibt jedoch Ausnahmen, wie die 130-nm-SiGe-Technologien von GF, die den Beweis für verschiedene Produkte und Anwendungen im Bereich der drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikation liefern [3] [4]. Die Hochfrequenz- und Hochspannungsfähigkeit der SiGe-Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) in diesen Technologien ermöglicht vielfältige Anwendungen wie mmWave- und SATCOM-PAs und -LNAs, Kfz-Radare, Wireless Backhaul und analoge Hochgeschwindigkeits-Schnittstellentreiber.  Insbesondere die SiGe8WL-, SiGe8HP- und SiGe8XP-Technologien von GF leisteten Pionierarbeit bei der Integration von Hochleistungs-NPN-Transistoren mit hochwertigen mmWave- und verteilten Passiven wie Übertragungsleitungen und Mikrostreifen, die die oben genannten Anwendungen ermöglichten. 

"Wenn die Eroberung des Weltraums nicht genug ist"  

Im Jahr 2014 führte die bahnbrechende SiGe-Innovation von GF zur Einführung der weltweit ersten 90-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie SiGe9HP [5], der mit SiGe9HP+ [6] eine weitere branchenführende NPN-Leistungsverbesserung folgte. Heute bilden diese beiden Technologien zusammen eine der umfassendsten und wettbewerbsfähigsten SiGe-Technologien, die auf dem Markt erhältlich sind. Mit fortschrittlicher CMOS-Integration und einer Vielzahl von Merkmalen wie verlustarmer Metallisierung und Hochspannungs-LDMOS ermöglichte die Technologie modernste Rechenzentrumsanwendungen wie Transimpedanzverstärker (TIA) und Treiber für optische Hochgeschwindigkeitskommunikation sowie andere analoge Hochleistungsanwendungen wie Analog-Digital-Wandler (ADCs) mit hoher Bandbreite und Terahertz-Bildgebung und -Erfassung. 

"Es gibt kein Endspiel für die Revolution" 

Mit dem Aufkommen der generativen KI fehlt es nicht an Appetit auf höhere Bandbreiten, Datenraten oder größere Reichweiten für die Kommunikation. Nach vier Jahrzehnten konsequenter Innovation sind wir bei GF wieder bereit für die nächste Revolution bei SiGe-Technologien, die den modernen Kommunikationsanforderungen gerecht werden. Kürzlich hat GF den branchenweit leistungsfähigsten SiGe-HBT mit 415/600 GHz ft/fmax auf einer 45-nm-SOI-Plattform [7] veröffentlicht und arbeitet mit frühen Kunden aktiv an der branchenweit ersten komplementären 130-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie 130CBIC im Rahmen des Globalshuttle Multi-Project Wafer (MPW)-Programms. Die wichtigsten Merkmale von 130CBIC, die eine breite Palette von Anwendungen ermöglichen, sind in Tabelle 4 aufgeführt. 

Mit Blick auf die Zukunft könnte ein Wachstumsvektor darin bestehen, die ft/fmax von HBTs weiter zu erhöhen, um die Anforderungen an fortschrittliche optische Transceiver für optische Netzwerke in Rechenzentren und generative KI-Anwendungen zu erfüllen. Mit dem Einzug der generativen KI in Smartphones besteht jedoch die logische Notwendigkeit, den Stromverbrauch zu senken oder die HF-Leistung (geringeres Rauschen und höhere Verstärkung) bei den bestehenden Leistungspegeln für HF-Frontend-Module oder verwandte Komponenten zu erhöhen. Da der Breitband-Internetzugang seinen Siegeszug bis in die entlegensten Winkel der Erde fortsetzt, können Leistung und Kosten von SiGe-HBTs für Verbraucher-Satelliten-Bodenterminalanwendungen optimiert werden, um die nächsten 4 Milliarden Nutzer mit dem Internet zu verbinden.  

Während CMOS mit dem Moore'schen Gesetz an seine Grenzen stößt, kann das wahre Potenzial von SiGe weiter erschlossen und in viel größerem Umfang für Anwendungen genutzt werden, die unnachgiebige HF-/Hochgeschwindigkeitsleistungen und -fähigkeiten erfordern. 

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie die SiGe-Technologien von GF Ihre HF- und Hochleistungsanwendungen der nächsten Generation unterstützen können, können Sie uns jederzeit über gf.com kontaktieren .  

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Arvind Narayanan ist Direktor des Produktmanagements für die RF-Produktlinie bei GlobalFoundries. Er ist verantwortlich für die strategische Roadmap für SiGe und RF GaN und verwaltet das entsprechende Produktportfolio. Er ist seit über sechs Jahren bei GlobalFoundries in verschiedenen Funktionen mit Kundenkontakt tätig. 

Referenzen: 

[1] D. L. Harame, B. S. Meyerson, "The Early History of IBM's SiGe Mixed Signal Technology," in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 11, November 2001. 

[2] A. Joseph et al., "A 0.35 gm SiGe BiCMOS Technology for Power Amplifier Applications", IEEE BCTM 2007. 

[3] B. A. Orner et al., "A 0.13 µm BiCMOS technology featuring a 200/280 GHz (fT/fmax) SiGe HBT," in Proc. IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technol. Meeting,2003, S. 203-206 

[4] P. Candra et al., "A 130nm sige bicmos technology for mm-wave applications featuring hbt with fT / fMAX of 260/320 ghz," in IEEE RFIC Symposium, pp. 381-384, 2013 

[5] J. J. Pekarik et al., "A 90nm SiGe BiCMOS technology for mm-wave and high-performance analog applications," 2014 IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting (BCTM), Coronado, CA, USA, 2014, pp. 92-95 

[6] U. S. Raghunathan et al., "Performance Improvements of SiGe HBTs in 90nm BiCMOS Process with fT/fmax of 340/410 GHz," 2022 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), Phoenix, AZ, USA, 2022, pp. 232-235 

[7] V. Jain et al., "415/610GHz fT/fMAX SiGe HBTs Integrated in a 45nm PDSOI BiCMOS process", 2022 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), S. 266-268  

Von Kevin Soukup
Senior Vice President, Produktlinie Silizium-Photonik  

GlobalFoundries (GF) stellte seine revolutionäre GF Fotonix™-Plattform erstmals im Jahr 2022 mit Schwerpunkt auf optischen Verbindungen vor. Die Plattform war für bis zu 100 Gigabit pro Sekunde pro Wellenlänge (100G/λ) über PAM4-Signalisierung ausgelegt. Mit einer extrem hohen Datenrate und einer bis zu 10.000-fachen Verbesserung der Systemfehlerrate war unsere GF Fotonix-Plattform der ersten Generation ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu optischen Chiplets, die eine schnellere und effizientere Datenübertragung ermöglichen.  

Diese Errungenschaften haben sich als erfolgreich erwiesen und GF als führendes Unternehmen im Bereich der Silizium-Photonik etabliert ( ). Aber das war noch nicht alles. Werfen wir einen Blick auf einige der jüngsten Fortschritte, die wir auf unserer GF Fotonix-Plattform gemacht haben, einschließlich erhöhter Design-Flexibilität, Bandbreiten-Upgrades und vollständigem Turnkey-Support mit der Entwicklung unseres neu angekündigten Advanced Packaging and Photonics Center. 

Extreme Flexibilität 

Die GF Fotonix-Plattform wurde entwickelt, um den Kunden die größtmögliche Flexibilität zu bieten, damit sie die verschiedenen Anforderungen der Anwendungen und Marktsegmente erfüllen können:  

• Prozess-Flexibilität: Der GF Fotonix-Prozess kann als integrierter Photonik + RF CMOS-Flow oder als reiner Photonik-Flow betrieben werden, je nach Anwendung und Systemanforderungen des Kunden. 
• Freiform-Designs: Die Technologie ermöglicht das Design passiver Komponenten in freier Form, solange die kundenspezifischen Bauelemente die Designregeln erfüllen. Die Unterstützung für kundenspezifische photonische Bauelementedesigns erfolgt nativ im Prozessdesign-Kit (PDK) durch die Unterstützung von Technologiedateien für die führenden Bauelementesimulatoren der Branche. 
• "Langsam und breit" vs. "Schnell und schmal": GF Fotonix bietet Design-Flexibilität, indem es die Implementierung sowohl von Course-Wave (CWDM) als auch von Dense-Wave-Division-Multiplexing (DWDM) zur Optimierung der Beachfront-Dichte (Bandbreitendichte entlang der Chipkante) unterstützt. Die für das Wellenmultiplexing erforderlichen Komponenten wie athermische Muxs/De-Muxs und Bänke mit Mikroringen und gekoppelten Ringresonatoren sind im PDK verfügbar. 

Von hochfrequentierten KI-Rechenzentren bis hin zu fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen der nächsten Generation arbeiten wir kontinuierlich mit unseren Kunden in allen Endmärkten zusammen, um ihre Designanforderungen zu verstehen und die Funktionen und Weiterentwicklungen hinzuzufügen, die ihre Chips auf die nächste Stufe bringen werden. 

Verdoppelung der Bandbreite 

Die zweite Generation von GF Fotonix unterstützt 200G/λ und verdoppelt damit die Bandbreitengeschwindigkeit gegenüber der vorherigen Generation, um "schnelle und schmale" Architekturen zu unterstützen. Wir haben auch alle aktiven photonischen Bauelemente wie Modulatoren (Mikro-Ring, Mach Zehnder und Ring Assisted Mach Zehnder), Photodioden und Transistoren verbessert, um die monolithische Integration zu unterstützen. Es wurden bahnbrechende Fortschritte bei der Ausbeute von Modulatorbänken erzielt, um "langsame und breite" Architekturen mit mehreren Lambdas zu unterstützen. 

Die IOSMF (auf V-Rillen basierende passive Faserkoppler) wurden in zweierlei Hinsicht aufgerüstet. Erstens wurde der Abstand der einzelnen V-Nuten von 250 μm auf 127 μm verringert, um die optische Strandfrontdichte um das Zweifache zu erhöhen. Zweitens haben wir Unterstützung für Siliziumnitrid (SiN)-Spot-Size-Wandler hinzugefügt, um die Belastbarkeit um das Vierfache zu verbessern. 

Mit Blick auf die Anforderungen des Co-Packaging haben wir mit mehreren Anbietern an Lösungen für abnehmbare Glasfaseranschlüsse auf Wafer- und Die-Ebene gearbeitet. Mehrere Demos dieser Lösungen werden auf der 2025 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC) in San Francisco im April dieses Jahres vorgestellt.

Schließlich haben wir Unterstützung für Durchkontaktierungen (TSV) durch den photonischen IC (PIC) hinzugefügt. Diese Funktion ermöglicht die 2,5D/3D-Stapelung des elektrischen ICs auf dem PIC. Diese TSVs können für Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung, Stromzufuhr und Wärmeabfuhr verwendet werden. 

Zentrum für fortgeschrittene Verpackung und Photonik 

Anfang des Jahres kündigte GF ein neues Zentrum für fortschrittliche Verpackungs- und Testverfahren in unserer Produktionsstätte in New York an, das seinesgleichen sucht. Dieses neue Zentrum wird es uns ermöglichen, die in unserem New Yorker Werk hergestellten Chips vollständig an Land in den USA zu verarbeiten, zu verpacken und zu testen. Dies hilft uns, die wachsende Nachfrage nach sicheren Lieferketten für unsere wichtigen Chips in kritischen Endmärkten wie der Automobilindustrie, der Kommunikationsinfrastruktur sowie der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung zu erfüllen.  

Durch dieses neue Zentrum ist GF nun in der Lage, eine schlüsselfertige Lösung für unsere Silizium-Photonik-Chips anzubieten, mit fortschrittlichen Verpackungs-, Montage- und Testdienstleistungen, um die Chips in individuelle Gehäuse zu verwandeln, die für den Einsatz im Endprodukt bereit sind. Auf der IP-Seite bauen wir unser GlobalSolutions-Ökosystem mit verifizierten und siliziumerprobten IP-Lösungen von Branchenexperten weiter aus, die einfach in GF Fotonix integriert werden können, um Ihre hochmodernen, kundenspezifischen ICs zu bauen.  

Um mehr über GF Fotonix zu erfahren und darüber, wie unsere Silizium-Photonik-Prozesstechnologien Ihre Glasfaser-Kommunikationsdesigns der nächsten Generation unterstützen können, werden wir vom 1. bis 3. April in San Francisco an der OFC 2025 teilnehmen. Besuchen Sie uns am Stand Nr. 3220, um mit unseren technischen Vertretern zu sprechen und Muster von ICs zu sehen, die mit GF Fotonix gefertigt wurden. Wir hoffen, Sie dort zu sehen! 

Kevin Soukup ist Senior Vice President der Silizium-Photonik-Produktlinie von GF und leitet die Silizium-Photonik-Sparte des Unternehmens, die es Kunden ermöglicht, enorme Datenmengen mit Hilfe von schnellen und energieeffizienten elektro-optischen Systemen zu übertragen.

Von Ashish Shah
Stellvertretender Direktor, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, GlobalFoundries 

Der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungssektor erleben einen rasanten Fortschritt, der durch den Bedarf an anspruchsvolleren und zuverlässigeren Technologien angetrieben wird. Innerhalb dieses Endmarktes liegt meine besondere Leidenschaft und mein Schwerpunkt auf Kommunikation, Navigation und Identifikation (CNI). Die Hochfrequenz- und Millimeterwellen-Halbleiter von GlobalFoundries (GF) sind nach wie vor entscheidend für die Leistung und Zuverlässigkeit dieser Systeme und erfüllen die einzigartigen Anforderungen des A&D-Marktes. Lassen Sie mich Ihnen erklären, wie und warum dies der Fall ist. 

Von der Verteidigung bis zu den Ersthelfern 

Traditionell wurden Radarsysteme zur Identifizierung von Flugzeugen sowohl im kommerziellen Bereich als auch in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich eingesetzt. Im Laufe der Jahre hat sich der Trend hin zur Phased-Array-Radartechnologie entwickelt. Phased-Array-Radargeräte ermöglichen es, mehrere Strahlen auszusenden und von derselben physischen Struktur zu empfangen, was genauere, energieeffizientere und kostengünstigere Systeme ermöglicht. Phased-Array-Radargeräte können nicht nur mehrere Signale gleichzeitig verfolgen, sondern auch elektronisch gesteuert werden, was eine größere Bandbreite an Möglichkeiten bietet als frühere Generationen von Radargeräten. 

Aufgrund dieser verbesserten Leistung sind Phased Arrays zur bevorzugten Technologie für diese Art der Strahlformung geworden. Die Chips von GF sind mit ihren HF- und mmWave-Fähigkeiten ein wichtiger Wegbereiter dieser Technologie und tragen dazu bei, Innovationen im Radarbereich sowohl für Verteidigungs- als auch für kommerzielle Kunden voranzutreiben.  

Unsere Chips stehen auch an der Spitze der Entwicklung von Multimode- und Multistandard-Funkgeräten, die agil sind, sehr breite Frequenzbereiche verarbeiten und nahtlos zwischen verschiedenen Kommunikationsdomänen wie 5G und proprietären Signalen wechseln können, ohne dass mehrere physische Funkdesigns erforderlich sind.  

Dies ist sowohl für Ersthelfer als auch für die Kommunikation im Verteidigungsbereich von entscheidender Bedeutung, um eine zuverlässige Zwei-Wege-Verbindung in einer Reihe sehr unterschiedlicher Umgebungen sicherzustellen. Das Funkgerät muss in der Lage sein, die Umgebung dynamisch zu durchsuchen und z. B. ein gutes 5G-Signal zu erkennen. Solange es verfügbar ist, wird es dieses Signal nutzen, aber wenn das 5G-Signal schwächer wird, schaltet das Radar nahtlos auf ein anderes Signal oder ein eigenes Signal um. Diese Funktion spielt auch eine wichtige Rolle bei der sicheren Kommunikation. 

Energieeffizient und kosteneffektiv 

Unsere Kunden können jetzt Frequenzen von etwa 100 Megahertz bis zu mehr als 15 Gigahertz nutzen, was einen sehr großen Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdeckt. Dieser große Frequenzbereich ermöglicht effizientere und kostengünstigere Lösungen, da ein einziger Hardware-Entwurf für mehrere Anwendungen verwendet werden kann, während der Rest der Verarbeitung in der Software erfolgt. Dieser Ansatz reduziert den Bedarf an mehreren frequenzspezifischen Designs und macht sie energie- und kosteneffizienter. 

Die Bedeutung dieser Anwendung sowohl für Ersthelfer als auch für die nationale Sicherheit ist ein gutes Beispiel für die Dual-Use-Strategie von GF, bei der wir unsere Technologie sowohl für Verteidigungs- als auch für kommerzielle Anwendungen einsetzen. So können unsere Kunden aus der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie von den Skaleneffekten der Großserienfertigung von GF profitieren, aber auch von den zusätzlich erforderlichen Optimierungs-, Leistungs- und Sicherheitsmerkmalen. 

Bewährte RF- und SiGe-Lösungen 

Das Herzstück der von GF vorangetriebenen Innovation im Bereich CNI ist unsere RF-SOI-Produktlinie, zu der auch unsere 45RFSOI- und 45RFE-Lösungen gehören, die in Bezug auf den Frequenzgang eine höhere Leistung bieten. Das bedeutet, dass die Bauelemente im Vergleich zu anderen Technologien bei höchsten Frequenzen mit einem Minimum an Verlustleistung arbeiten können. Die Silizium-Germanium (SiGe)-Produktlinie von GF, einschließlich unserer 8XP- und 9HP-Plattformen, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei CNI. Diese Technologien bieten ein Höchstmaß an HF-Leistung und ermöglichen es unseren Kunden, den Frequenzbereich zu erweitern und gleichzeitig den Stromverbrauch so gering wie möglich zu halten. 

Neben optimierter Leistung und Energieeffizienz ist unseren Kunden auch die Sicherheit wichtig. Die Produktionsstätten von GF in New York und Vermont sind als Trusted Foundry akkreditiert und stellen sichere Chips in Zusammenarbeit mit der US-Regierung her. Als Trusted Foundry mit jahrzehntelanger Erfahrung verfügt GF über unglaublich strenge Prozesse, Anlagen und Kontrollmechanismen, um geheime Informationen zu akzeptieren und geheime Chips so herzustellen, dass sie sicher und unversehrt sind.  

Und mit unserem neu angekündigten Advanced Packaging and Photonics Center wird diese Fähigkeit auf Post-Fab-Dienstleistungen ausgeweitet. Das erste Zentrum seiner Art wird schlüsselfertiges Advanced Packaging, Bump, Montage und Tests für Kunden aus der Luft- und Raumfahrt und dem Verteidigungssektor unter unserer Trusted Foundry anbieten, so dass Chips, die in sensiblen nationalen Sicherheitssystemen verwendet werden, die USA während der Produktion nicht verlassen.  

Verbinden Sie sich mit mir 

GF hat sich zum Ziel gesetzt, durch die Bereitstellung fortschrittlichster Lösungen, die den einzigartigen Anforderungen des A&D-Marktes gerecht werden, eine Vorreiterrolle zu übernehmen. Die von uns hergestellten Chips sind für unternehmenskritische Leistung und Zuverlässigkeit optimiert und werden in unseren akkreditierten Trusted-Einrichtungen in New York und Vermont sicher hergestellt. 

Es gibt so viele spannende Fortschritte in diesem Bereich. Ich lade Sie ein, den Stand von GF auf der GOMACTech 2025 zu besuchen, die vom 17. bis 20. März in Pasadena, Kalifornien, stattfindet, und sich mit mir und unserem Team auszutauschen, um mehr über die innovativen Lösungen von GF zu erfahren und darüber, wie wir Ihre A&D-Anforderungen unterstützen können. Für weitere Informationen kontaktieren Sie mich bitte unter [email protected]. Gemeinsam können wir die Zukunft von Halbleitern für die Luft- und Raumfahrt und die Verteidigung vorantreiben. 

Ashish Shah ist stellvertretender Direktor für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung bei GlobalFoundries. Sein Schwerpunkt im Endmarkt Luft- und Raumfahrt und Verteidigung liegt auf HF- und mmWave-Technologien, die Kommunikations-, Navigations- und Radarplattformen der nächsten Generation ermöglichen.  

Von Viswas Purohit
Leitender Ingenieur, Verfahrenstechnik, GlobalFoundries

Wenn wir heute den Pi-Tag (3.14) begehen, ist dies nicht nur eine Gelegenheit, mathematische Wunder zu erleben, sondern auch ein Moment, um den tiefgreifenden Einfluss der Konstante Pi (π) auf den technologischen Fortschritt zu würdigen, insbesondere in der Halbleiter- und Chip-Herstellungsindustrie. Diese Branche, die für das digitale Zeitalter von grundlegender Bedeutung ist, stützt sich bei Präzision, Effizienz und Innovation stark auf Pi. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für Pi in der Halbleiterindustrie.

1. Schaltungsentwurf und Optimierung: Im Bereich des Schaltungsentwurfs ist Pi entscheidend für die Berechnung der elektrischen Eigenschaften, die die Funktionalität eines Chips bestimmen. Die Formel für die Impedanz Z einer Induktivität lautet zum Beispiel Z = 2πfL, wobei f die Frequenz und L die Induktivität ist. Die Entwickler verwenden Pi, um sicherzustellen, dass die Chips bei den gewünschten Frequenzen arbeiten können, die für Anwendungen von einfachen Rechenaufgaben bis hin zur komplexen Datenverarbeitung in Servern, deren Frequenzen oft mehrere Gigahertz überschreiten, unerlässlich sind.

2. Photolithographie Präzision: Die Photolithographie, das Verfahren zum Ätzen von Schaltkreismustern auf Silizium, hängt von Pi ab, um die Belichtungszeiten und die Abmessungen der Muster mit äußerster Genauigkeit zu berechnen. Die Auflösung R eines fotolithografischen Prozesses kann durch R = kλ/NA geschätzt werden, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts, NA die numerische Apertur des Objektivs und k eine prozessabhängige Konstante ist. Bei der Bestimmung der NA kommt Pi ins Spiel, das den Brechungsindex und den Sinus des maximalen Winkels des in die Linse eintretenden Lichts einbezieht. Dies zeigt, wie Pi die Präzision bestimmt, die beim Ätzen von Schaltkreisen mit einer Breite von nur wenigen Nanometern erreicht werden kann.

3. Wellendynamik und Signalverarbeitung: Pi ist ein wesentlicher Bestandteil der Analyse der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Chips, die für eine effiziente Datenkommunikation entscheidend ist. Die Gleichung λ = c/f, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge ist, bezieht Pi in die Berechnung der Wellenlänge für HF-Komponenten ein, die im GHz-Bereich arbeiten. Diese Präzision ist für Chips in Smartphones und IoT-Geräten unerlässlich, bei denen eine genaue Signalverarbeitung und -übertragung der Schlüssel zu Leistung und Zuverlässigkeit ist.

4. Lösungen für das Wärmemanagement: Die Wärmeableitung ist ein wichtiger Aspekt bei der Chipentwicklung, wobei Pi in den Formeln zur Berechnung der Wärmeübertragung und -ableitung eine Rolle spielt. Die Gleichung für den Wärmewiderstand R_thermal eines zylindrischen Kühlkörpers lautet beispielsweise R_thermal = ln(ro/ri)/2πkL, wobei ro und ri die äußeren und inneren Radien, k die Wärmeleitfähigkeit und L die Länge des Zylinders sind. Das Vorhandensein von Pi in diesen Berechnungen hilft den Ingenieuren bei der Entwicklung von Chips, die die erzeugte Wärme effizient verwalten können, um Stabilität und Leistung auch bei hoher Rechenlast zu gewährleisten.

5. Qualitätskontrolle und Prüfalgorithmen: Bei der Qualitätskontrolle wird Pi zur Entwicklung von Algorithmen verwendet, die die Oberfläche des Chips und die Schaltkreismuster auf Fehler untersuchen. Beispielsweise verwenden Algorithmen, die die Fläche unregelmäßiger Formen auf der Chipoberfläche berechnen, um Abweichungen von den erwarteten Mustern zu erkennen, Pi in ihren Berechnungen. Diese Präzision ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Defekten in Chips, die Milliarden von Transistoren enthalten können, und gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit in Geräten von der Unterhaltungselektronik bis zu kritischen Infrastruktursystemen.

Abschließende Überlegungen: Pi Day und Halbleiterfertigung

Am Pi-Tag, an dem wir diese mathematische Konstante feiern, wird deutlich, dass die Rolle von Pi über die abstrakte Mathematik hinaus in die konkrete Welt der Halbleitertechnologie reicht, wo sie jeden Schritt des Chip-Herstellungsprozesses untermauert. Von der Entwicklung von Schaltkreisen, die unsere alltäglichen Geräte antreiben, bis hin zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Effizienz komplexer Computersysteme - die Anwendungen von Pi in der Halbleiterherstellung sind ein Beweis für seine grundlegende Bedeutung für den technologischen Fortschritt, der unsere moderne Welt bestimmt.

Der Pi-Tag ist also nicht nur eine Feier für eine mathematische Konstante, sondern auch eine Anerkennung der Symbiose zwischen Mathematik, Wissenschaft und Technologie. Er unterstreicht, wie Pi, eine Zahl, die für ihre unendliche Folge bekannt ist, der Gesellschaft endliche, greifbare Vorteile bringt, indem sie die Innovationen im Herzen des digitalen Zeitalters vorantreibt.

Viswas Purohit ist leitender Ingenieur in der Verfahrenstechnik des GF-Werks in Malta, NY.