Reibungslose Vernetzung: Ein Megatrend, der leistungsfähige RF-Lösungen erfordert

Reibungslose Vernetzung, Virtualisierung und hierarchische KI sind drei technologische Megatrends, die die Art und Weise, wie wir leben und arbeiten, verändern werden. Dieser Artikel über reibungslose Vernetzung ist der erste in einer Reihe, die untersucht, wie GlobalFoundries-Lösungen jeden dieser Megatrends ermöglichen.

Obwohl der Transistor vor fast einem Dreivierteljahrhundert auf den Markt kam, den Weg für integrierte Festkörperschaltungen ebnete und die Revolution in der Elektronik einleitete, waren die letzten beiden Jahre vielleicht die bedeutendsten in der Geschichte der Branche.

Im Jahr 2019 haben geopolitische Spannungen die Stärken und Schwächen der globalen Halbleiterlieferkette in den Fokus gerückt. Da eine zuverlässige Versorgung mit Chips für alle möglichen Produkte erforderlich ist, wurden Halbleiter plötzlich zu einem Brennpunkt für die Industrie-, Handels- und Außenwirtschaftspolitik.

Mit der Covid-19-Pandemie im Jahr 2020 wuchs dann das Bewusstsein für die Leistungsfähigkeit der weltweiten digitalen Infrastruktur, da die Menschen mehr denn je auf sie angewiesen waren, um die Ansteckung zu bekämpfen, Unternehmen aus der Ferne zu betreiben, Studenten auszubilden, Kontakte zu knüpfen und viele andere große und kleine Dinge zu erledigen.

Tom CaulfieldTom Caulfield, CEO von GlobalFoundries (GF), sagte, seit die Gesellschaft erkannt habe, dass Lieferkettenprobleme und die Pandemie keine kurzfristigen Krisen seien, habe sich das Bewusstsein für die Bedeutung digitaler Technologien und dafür, wie sie unser Leben für immer verändern werden, vertieft.

"Es ist erstaunlich zu sehen, wie weit verbreitet und widerstandsfähig die digitale Infrastruktur in den letzten zehn Jahren geworden ist, und wie wenig ihr volles Potenzial bis zur COVID-19 genutzt wurde", sagte er. "Wir haben begonnen, uns nicht eine neue Normalität, sondern eine bessere Normalität vorzustellen. Diese bessere Normalität wird durch die Nutzung der Fähigkeiten unserer allgegenwärtigen, wachsenden und sich verbessernden digitalen Infrastruktur erreicht. .... Dies ist nicht nur eine Chance für unsere Branche, es ist unsere Berufung".

Infolgedessen sieht GF drei Megatrends und eine enorme Hürde, die sich herauskristallisiert haben, so Caulfield, und GF-Lösungen sind für alle von entscheidender Bedeutung. Der erste ist die reibungslose Vernetzung - eine allgegenwärtige "immer verfügbare, nahtlose, intelligente und sichere Verbindung, 24 Stunden, sieben Tage die Woche" - auf die wir weiter unten in diesem Blog noch näher eingehen werden.

Der zweite Megatrend ist die allgegenwärtige Einführung der Virtualisierung. "Die Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) ist ein gutes Beispiel", so Caulfield. "Dabei wird die Netzwerkverarbeitung in der Cloud durchgeführt, und die Daten werden von dummen Zugangspunkten zur Verarbeitung in die Cloud transportiert. Dies führt zu erheblichen Skalierungsvorteilen, ähnlich wie bei den heutigen Vorteilen von Cloud-Speichern und -Rechnern. NFV verbessert die Bandbreite und die Geschwindigkeit erheblich, und zwar zu wesentlich geringeren Kosten und mit geringerem Stromverbrauch. Angesichts der Flexibilität eines virtualisierten Netzwerks können außerdem Zeit und Aufwand für die Bereitstellung neuer Dienste verbessert werden, da die neue Funktion über einen Software-Push und nicht über ein Hardware-Upgrade für den Benutzer bereitgestellt wird."

Der letzte Megatrend ist die hierarchische künstliche Intelligenz (KI), oder "KI überall", von Geräten bis zu Sensoren, von der Edge bis zur Cloud. "Daten sind das neue Gold, aber sie sind nur dann Erz, wenn wir sie aus einem rohen, unstrukturierten Format extrahieren und nutzen können, um Erkenntnisse zu gewinnen, Maßnahmen zu ergreifen und Entscheidungen zu treffen", so Caulfield. "Die Menge an strukturierten und unstrukturierten Daten, die allein in den letzten zwei Jahren erzeugt wurde, ist größer als alle Daten, die zuvor erzeugt wurden, und dennoch nutzen wir nur 3 % dieser Daten. Hierarchische KI ist der Schlüssel, um aus riesigen, unstrukturierten Daten Wert zu schöpfen, indem sie diese analysiert, um wichtige Informationen zu extrahieren, und sie dann komprimiert, um sie effizienter an Rechner und Speicher weiterzuleiten."

Zwar hat jeder Megatrend seine eigenen Hürden und Herausforderungen, und die Reduzierung des Stromverbrauchs ist für alle ein entscheidender Faktor, doch der Weg in die digitale Zukunft ist unaufhaltsam.

Reibungslose Vernetzung ist im Kommen

Peter Gammel"Unsere Vision für die Netzwerkkonnektivität der Zukunft ist, dass Sie nicht einmal wissen, mit welchem Netzwerk Sie verbunden sind. Ihr Gerät findet es automatisch, authentifiziert es und optimiert es hinsichtlich Bandbreite, Latenzzeit und anderer kritischer Attribute", so Peter Gammel, Vice President und CTO der Mobile and Wireless Infrastructure Business Unit von GF. "Wir bezeichnen dies als reibungsloses Networking, denn wenn wir darüber sprechen, wie sich die Konnektivität in den kommenden Jahren entwickeln wird, wenn drahtlose Systeme immer schnellere HF- und mmWave-Spektren nutzen, wollen wir uns nicht in den Details von 5G, 6G, Wi-Fi, Bluetooth oder einem anderen Netzwerkprotokoll verlieren.

"Der entscheidende Punkt ist vielmehr folgender: Unabhängig davon, wie Sie eine Verbindung herstellen, wird der letzte Schritt zwischen einem Netzwerk und Ihrem Gerät immer drahtlos sein", sagte er, "und das bedeutet, dass, obwohl es bereits eine regelrechte Explosion von Hochfrequenz-Inhalten in allen möglichen Geräten gibt, sich dieser Trend nur noch beschleunigen wird."

Laut Gammel werden nicht nur Smartphones, Tablets und PCs auf reibungslose Netzwerkfunktionen angewiesen sein. Ein Universum verschiedenster Produkte wird darauf angewiesen sein, um zu funktionieren, und zwar in so unterschiedlichen Anwendungen wie Industrie 4.0 (d. h. intelligente, automatisierte Fertigung), dem Internet der Dinge (IoT), Wearables für Gesundheit und Wellness, Automobilsystemen wie fortschrittlicher Fahrerunterstützung (ADAS) und anderen, die zu zahlreich sind, um sie zu erwähnen.

Die Herausforderungen sind enorm. Der Datenverkehr an wichtigen Netzknotenpunkten steigt steil an - in einigen Fällen um bis zu 40 % - und diese Raten werden in den kommenden Jahren nur noch zunehmen, sagte Gammel in einer Grundsatzrede auf dem IEEE International Reliability Physics Symposium 2021. "Künftige Netze werden extreme Kapazitäten und Datenraten, eine viel höhere spektrale Effizienz, extrem niedrige Latenzzeiten, eine viel höhere Zuverlässigkeit und robuste Sicherheit erfordern.

 
 
 

Die beste RF-Technologie wird sich durchsetzen

Das ist alles schön und gut, aber jeder, der schon einmal Schwierigkeiten beim Anschluss an ein Netz hatte, fragt sich vielleicht, wie wir jemals einen Zustand der reibungslosen Vernetzung erreichen werden. Was ist nötig, um dorthin zu gelangen?

"Ich bin seit 40 Jahren in dieser Branche tätig, und die Art und Weise, wie man Erfolg misst, hat sich nie geändert: Es kommt immer auf die Führungsrolle bei HF-Technologien an, die für die Leistung und den Stromverbrauch von Front-End-Modulen (FEMs) und Leistungsverstärkern, den kritischsten Elementen eines drahtlosen Kommunikationssystems, entscheidend sind", sagte Gammel.

Um die Nutzung des verfügbaren Spektrums zu maximieren, müsse die Ausgangsleistung so nah wie möglich an die Zuverlässigkeitsgrenzen heranreichen, sagte er. Dies kommt den Stärken von GF als langjährigem Marktführer in vielen verschiedenen RF-Technologien zugute, darunter RF-SOI (RF-Silizium auf Isolator), FD-SOI (vollständig verarmtes Silizium auf Isolator) und SiGe-Lösungen (Silizium-Germanium).

"Unsere RF-SOI-Lösungen sind die erste Wahl für integrierte FEMs und Beamformer in 5G-Basisstationen und -Smartphones", so Gammel. "Da unsere 22FDX™ FD-SOI-Lösung HF, Analogtechnik, eingebetteten Speicher und fortschrittliche Logik in einem Chip vereint, bieten sie unübertroffene Spitzenleistung und Energieeffizienz für die Integration von FEM-Elementen wie Datenkonvertern, LNAs, Leistungsverstärkern (PAs) und Schaltern mit einem Transceiver.

Darüber hinaus seien die SiGe-Lösungen von GF in Wi-Fi- und Mobilfunk-Leistungsverstärkern weit verbreitet, und die SiGe-Technologie biete einen Weg zu den Terahertz-Frequenzen, die für zukünftige Netzwerkarchitekturen benötigt werden.

 
 
 

"Das Beste kommt erst noch"

Gammel erläuterte, was seiner Meinung nach die weiteren notwendigen Voraussetzungen für eine reibungslose Vernetzung sind. "Schlüsselfertige Montage- und Testkapazitäten werden in dem Maße wichtiger, wie sich die Industrie auf Terahertz-Frequenzen zubewegt, weil die Schnittstelle zwischen Schaltkreisen und Gehäuse für die Leistung immer wichtiger wird. Bringt man die Antenne auf dem Gehäuse oder auf dem Chip an, und was ist die beste Konfiguration", sagte er.

Offene Schnittstellen sind eine weitere Voraussetzung. "Proprietäre Schnittstellenprotokolle sind nie erfolgreich. Offene Schnittstellen sind entscheidend für den Aufbau eines Ökosystems, und wir sehen dies bereits in der Netzinfrastruktur und bei der Festlegung von Standards", sagte er. Ein Beispiel ist die 5G Open Radio Access Networks (Open RAN) Initiative.

Außerdem sind nicht-terrestrische Netze, die Satelliten in erdnahen Umlaufbahnen (LEO) nutzen, der Schlüssel zur Anbindung unterversorgter Gebiete. "Der kommerzielle Einsatz von LEO-Konstellationen ist keine Science-Fiction, er findet bereits statt. Die Starlink-Konstellation von SpaceX ist ein Beispiel dafür", sagte er.

"Es bleibt noch viel zu tun, und es sind noch viele technologische Innovationen erforderlich, um das riesige, ungenutzte Spektrum von 100 GHz bis 1 THz zu nutzen, aber wir haben bereits große Fortschritte gemacht, und das Beste steht uns noch bevor", sagte Gammel.

Der nächste Artikel in dieser Reihe wird sich mit dem Megatrend Virtualisierung beschäftigen.

Gemeinsame Presseerklärung zum Abschluss des "USEP"-Projekts

Hochtechnologie für mittelständische Unternehmen: Weniger Kosten für mehr Kreativität

Eine neuartige Sensorplattform 'Made in Saxony' ermöglicht auch kleineren Unternehmen die kostengünstige Entwicklung von IoT-Systemen

Dresden, 14. April 2021. Eine Gruppe sächsischer Fraunhofer-Institute hat gemeinsam mit Globalfoundries Dresden eine Sensorplattform entwickelt, mit der sich individuell konfigurierbare IoT- und Edge-Computing-Lösungen erstellen lassen. Damit haben erstmals auch kleine und mittlere Anbieter die Möglichkeit, besonders leistungsfähige, energieeffiziente und hochintegrierte Systeme kostengünstig zu produzieren. Im Gegensatz zur Eigenentwicklung werden der Zeitaufwand und die Entwicklungskosten deutlich reduziert.

Wie können wir eine hochintegrierte, mehrkanalige Sensorlösung für den Maschinenbau entwickeln? Oder ein vernetztes Sensorsystem für die Gebäudeautomation? Die bedarfsgerechte, miniaturisierte Entwicklung von intelligenten Systemen, die an individuelle Anforderungen angepasst sind, ist für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) ein komplexes und teures Projekt: Sie können nicht auf elektronische Module von der Stange zurückgreifen, sondern müssen innovative Systemlösungen für ausgewählte Kunden selbst und meist in kleinen Stückzahlen entwickeln.

"Die Kunden erwarten zunehmend hochintegrierte elektronische Prototypen oder Kleinserien für das Internet der Dinge (IoT) und Edge Computing. Ohne entsprechende Systemarchitekturen und Fertigungsmethoden ist es für mittelständische Unternehmen jedoch schwierig, einen Return on Investment in der Entwicklung zu erzielen", sagt Dr. Peter Schneider, Leiter des Bereichs Entwicklung Adaptiver Systeme EAS des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Dresden.

Unterstützung für den Innovationsmotor Mittelstand

Unter der Federführung des Institutsteils EAS hat deshalb ein Konsortium aus sächsischen Fraunhofer-Instituten und der Industrie die "Universelle Sensorplattform USeP" entwickelt. Sie ermöglicht es insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen, eine Vielzahl von modularen und konfigurierbaren Plattformelementen zu nutzen und nach dem Baukastenprinzip mit maximaler Flexibilität zusammenzustellen. "Die 3D-Sensorplattform lässt Entwicklern sowohl bei der Software als auch bei der Hardware weitgehend freie Hand, um zukunftsweisende, individuelle Produkte herzustellen. Während dies früher sechs- oder siebenstellige Eurobeträge kostete, können KMU heute bis zu 90 Prozent an Zeit und Geld sparen", erklärt Schneider. Dank der guten und intensiven Zusammenarbeit der beteiligten Entwicklungspartner konnte das zukunftsweisende Projekt innerhalb von nur drei Jahren erfolgreich abgeschlossen werden. Einen ersten Praxistest hat USeP bereits gemeistert. Im Rahmen einer Kooperation zwischen Globalfoundries Dresden und fünf weiteren Unternehmen aus dem Hard- und Softwaresektor bildete es den Kern einer Edge AI-Pilotlösung. Mit ihrer Hilfe konnten die Unternehmen innerhalb von nur drei Monaten eine erste Produktversion (Minimum Viable Product) für die vorausschauende Wartung von Reinstwasserventilen in der Chipfertigung entwickeln.

Bausteine für die Entwicklung der Hochtechnologie

"Die in der Dresdner Technologie entwickelte Sensorplattform auf Basis des GLOBALFOUNDRIES 22FDX ® ermöglicht ein energieeffizientes und leistungsfähiges SoC (System on Chip) Design, das mit eingebettetem MRAM anspruchsvolle Edge-Computing-Anforderungen erfüllt", sagt Dr. Axel Preuße von Globalfoundries Dresden. Der Chip verfügt über zahlreiche drahtlose und drahtgebundene Kommunikationsschnittstellen und nutzt einen leistungsfähigen 32-Bit-RISC-V-Prozessor mit insgesamt 9 Kernen als zentrale Verarbeitungs- und Steuereinheit. Diese Open-Source-Prozessorarchitektur ist nicht zuletzt wegen ihrer Offenheit und Flexibilität zukunftsweisend und bietet die ideale Basis für sichere und vertrauenswürdige Elektronik. Die einzigartige Systemarchitektur der Plattform zeichnet sich auch dadurch aus, dass neueste Aufbau- und Verbindungstechnologien mit modernsten Halbleiterdesignmethoden und Sicherheitskomponenten kombiniert werden. Dank ihrer flexiblen Bausteine und der dazugehörigen Softwareumgebung ermöglicht sie die unkomplizierte Integration unterschiedlicher Sensoren.

Das vom Freistaat Sachsen und der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderte Forschungsprojekt ist nun abgeschlossen und ein eigenständiges Unternehmen entstanden: Das Start-up Sensry in Dresden bietet seinen Kunden nicht nur die Möglichkeit, mit Hilfe der universellen Sensorplattform hochintegrierte Sensorelektronik-Customize-Module herzustellen, sondern kann auch die Kompetenzen der USeP-Entwicklungspartner an interessierte KMU vermitteln. Damit steht ihnen eine Lieferkette zur Verfügung, mit der sie ihre Ideen und Visionen effizient umsetzen können: Konzeptentwicklung, Systemdesign, Prozessoren, Sensoren und Datenübertragung sowie Simulation und Test ihres geplanten Systems werden umfassend und nachhaltig unterstützt.

An der Entwicklung der universellen Sensorplattform USeP waren neben dem Halbleiterhersteller Globalfoundries Dresden auch die sächsischen Fraunhofer-Institute für Photonische Mikrosysteme IPMS und Elektronische Nanosysteme ENAS sowie die Institutsbereiche All Silicon System Integration ASSID des Fraunhofer IZM und Entwicklung Adaptiver Systeme EAS des Fraunhofer IIS beteiligt. Unterstützt wurden die Forschungspartner von Kollegen des Fraunhofer IZM in Berlin, des Fraunhofer IIS in Erlangen und des Fraunhofer AISEC in Garching bei München.

GF treibt Fortschritte bei der nächsten Generation von Fahrzeugradar voran

Akademische Forscher nutzen die Technologien von GlobalFoundries, um die Reichweite, die Auflösung und das Sichtfeld von Kfz-Radarsystemen zu verbessern, was für die Industrie von entscheidender Bedeutung ist.

von Gary Dagastine

Seit 1999, als Mercedes-Benz "dem Auto das Sehen beibrachte", wie das Unternehmen es 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.

 

Stadtverkehr, Blick von oben

 

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.

 

Autos mit Radar auf der Autobahn

 

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.

Farzad "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.

PiroozParvarandeh 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 hochintegrierte 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."

Kfz-Radar

 

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."

SorinEr 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.

Wafer

"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."

与学界合作助力格芯加快奠定6G领先地位

撰文:Gary Dagastine

早些年,半导体公司的发展方向就是花费大量的资金并投入无数的人力,寻找将半导体器件微缩到更小尺寸的方法,因为微缩可以显著提升性能,从而催生诸多新应用。

但随着最近几十年的半导体行业发展,很多功能强大的技术平台应运而生,我们可以经济高效地为这些平台添加新特性和功能,让它们适应新需求。作为全球知名的特殊工艺半导体制造商,格芯®(GLOBALFOUNDRIES®)提供持续扩展的差异化解决方案,以适应各种不断演进的应用,成为了这种技术发展方法的典范。

格芯公司积极致力于成为6G无线通信技术的领导者。格芯提供了大量的平台和解决方案,不仅已经在要求苛刻的通信应用中得到验证,而且仍有更多潜能有待挖掘。其中包括格芯的22FDX™平台和22FDX+解决方案,以及格芯的RF SOI和SiGe(锗硅)解决方案系列。

它们有望成为迈向下一代6G无线通信技术的路径,而6G技术预计将于十年后首次亮相。

Wafer

在有关格芯力争获得6G技术领先地位的最新博客中,我们介绍了格芯的大学合作计划。通过大学合作计划,格芯为超过35个大学团队授予技术使用权,这些团队与格芯研发人员在6G等领域开展密切合作。这些合作团队还将分享他们的研究成果,助力为格芯平台添加新的特性和功能,并在技术和学术会议上发布研究成果,探索新的应用可能性,并向学生介绍这些技术,以便学生在日后的职业生涯中熟悉这些技术。

其中一位研究合作伙伴是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的特聘教授Gabriel Rebeiz博士。作为通信和国防系统集成相控阵领域的先驱,他指导了一系列研究项目,包括45RFSOI的宽带系统、140GHz相控阵等。

在这篇博客中,我们将重点介绍三位资深大学合作伙伴,他们将介绍各自的研究领域,阐述他们如何使用格芯技术,以及与格芯合作对他们和学生意味着什么。他们有着不同的经历和研究方向,他们与格芯的合作将证明格芯在6G研究方面付出的努力,展示格芯公司的战略和技术如何帮助他们更好、更快、更经济高效地在6G领域取得进步:

  • Friedel Gerfers教授(博士)担任柏林工业大学(TU Berlin)的混合信号电路设计机构的主席,他因在5G/6G通信系统的混合信号电路设计领域的杰出工作而被授予爱因斯坦研究基金奖。爱因斯坦柏林基金会是由地区政府成立的组织,旨在资助尖端科研工作,该基金会为Friedel Gerfers的高频实验室提供了资助。该实验室需要大量经费和人手,是德国仅有的两个能够对D频段(最高170GHz)的电气和光学系统进行全面测试和表征的实验室之一。
  • Aarno Parssinen教授(博士)在芬兰奥卢大学的无线通信中心(CWC)从事研究工作。Parssinen教授是该校的6G旗舰计划的领军人物,也是总部位于芬兰的全球领先电信和网络公司诺基亚的关键合作者。
  • Hua Wang教授(博士)担任乔治亚理工学院的电路和系统中心(CCS)的主任。他的团队与很多半导体公司开展了密切合作。Hua Wang教授获得过多项享有盛誉的学术大奖,包括DARPA Director奖。他因为在宽带高能效射频/毫米波电路、新型收发器阵列架构、天线及电子产品协同设计方面的重大贡献而得到业界认可,协同设计对行业研发工作的方向产生了重大影响。

将创意转化为芯片

柏林工业大学的Gerfers教授目前指导15名博士生从事5G/6G架构和解决方案的研究,主要使用22FDX平台,另外还从事高速通信技术方面的研究,例如汽车以太网和光通信。他目前开展的一个项目是全球首个单片集成6G收发器,目的是确定其他哪些技术可与22FDX技术集成在一起以实现10-15GHz带宽,从天线一直到数字位。

Gerfers他具有在飞利浦、英特尔、Inphi和苹果公司从事企业研究工作的背景,另外还曾在两家初创企业Alvand Technologies和Aquantia工作。他在2015年进入柏林工业大学,同年开始与格芯公司开展合作。他表示,自那之后,他与格芯的成功合作不断增加,无论是在数量还是强度上都是如此。

Gerfers教授表示,对于未来的6G无线通信系统而言,高频应用中的能效和强大性能是亟待满足的关键需求。他说:“我们越来越多地感觉到,在很多与社会和技术相关的领域,微电子都成为一个瓶颈,不仅在德国如此,在全球也是如此。为此,格芯制定的大学合作计划就显得非常重要。这种合作将为微电子技术的持续进步提供关键助力,让我们能够使用所需的先进技术,将创意和创新转化为芯片。

此外,22FDX技术的出色性能和特性可以满足很多应用领域的需求。我们使用这种技术来开发高带宽收发器,很少有平面晶体管能够达到目标能效,同时保持严格的噪声和相位噪声预算。我们相信22FDX技术有潜力在250GHz以上的频带中得到使用,因而它非常适合我们希望实现的技术和应用。例如,德国汽车制造商使用了基于FDX的集成电路,不仅因为它们具有高能效的优点,也因为该技术足够强大,能够满足严格的汽车要求。”

Gerfers教授还指出,对于学生而言,与FinFET相比,基于FDX的电路设计和布局更加简单,如果没有大学合作计划,“我们仍在使用28nm甚至更老节点的平面晶体管,无法证明我们的电路解决方案的能效。”

在学术界和产业界之间搭建桥梁

芬兰在移动通信开发领域创造了悠久辉煌的历史。1991年,GSM(2G标准)在芬兰开发并首次部署;通信行业巨头诺基亚公司总部位于芬兰;2018年,作为全球第一个且规模最大的6G研究项目,6G旗舰计划在芬兰启动。

Parssinen奥卢大学的Parssinen教授表示,学术界与产业界的合作对于技术的持续进步是不可或缺的。他说:“在芬兰,学术界从一开始就致力于推动通信行业崛起。我们的角色一直是在传统学术研究和企业产品开发工作之间搭建桥梁,我们参与了2G、3G和4G的核心研究,并正在帮助全世界实现5G。

现在,我们在奥卢大学围绕6G技术制定了宏伟计划。事实上,5G才刚开始启动,我们将来还要应对诸多挑战。但是,我们现在就必须进行长远规划,因为无论花费多少时间进行基础研究,要让知识能够被产业有效利用,花费的时间还要更长。大学的任务就是着眼于未来,尝试做我们还不知道怎么做的事情。这才是科学的真正目的。”

Parssinen教授的专业领域是应用于5G和未来通信网络的蜂窝通信电路及收发器。在研究生院,他领导团队开发了首个单芯片上的3G电路,后来还成为蓝牙低能耗技术标准的主要贡献者之一。他在诺基亚研究中心工作10年,成为该公司首席执行官技术委员会的成员,另外还曾在瑞萨电子和博通担任关键技术开发角色。

在奥卢大学,他领导着大约20人的团队,成员包括博士生和其他教授,他们试图了解未来的应用需求,并且开发电路和系统来满足这些需求。他们的研究领域涵盖相控阵、天线设计、高效波束成形和其他相关主题。该团队还在设计先进的实验室,旨在测量无线电系统的空中传输性能。

他说:“我们使用了格芯的22FDX和45RFSOI技术,两者之间的差异非常微妙。22FDX技术的集成功能非常出色,我们仍然在了解它的功能,这意味着对于从事集成电路设计的学生而言,能够使用这种技术是一种独特的优势。这些年来,我们使用了很多45RFSOI技术,由于我们在这种技术方面的经验更加丰富,我们将它用于较大的芯片。”

“我们与格芯合作的主要优势是可以使用他们的芯片,自由地探索创意,通过大学合作计划,我们能够与同样处于前沿的其他教授分享我们的工作,真的是很棒。”他继续说道,“某种意义上,我们也在与他们竞争,但我们的工作可以从他们的知识和互动中受益。”

未来无线通信的理想系统

乔治亚理工学院的电路和系统中心(CCS)致力于开发面向通信、雷达和医疗保健应用的高频电子产品,Hua Wang教授担任该中心的主任,同时他也是格芯的合作伙伴。乔治亚理工学院CCS中心有8名核心教员、90多名博士生、12位博士后学者。 

WangHua Wang教授自2012年以来一直在乔治亚理工学院任职,此前曾在英特尔和Skyworks Solutions工作,负责毫米波电路和系统的新型解决方案开发,以及低成本蜂窝前端模块(FEM)的开发。

在乔治亚理工学院CCS中心,他的研究重点包括适用于Beyond 5G和6G通信和传感的射频/毫米波/THz集成电路及系统。其他与无线相关的研究主题包括:天线/电子产品协同设计;功率放大器;人工智能(AI)辅助的自适应射频/毫米波电路和MIMO系统。CCS中心的研究领域非常广泛,涵盖高性能计算、低温电子学、生物电子学和生物传感器、物理层安全、基于人工智能的设计自动化。

他说:“我们的研究侧重于无线电路/系统设计创新,特别是射频/毫米波FEM电子产品的输出功率、带宽和重新配置。它们对于5G和未来通信技术非常重要,因为频率越高,信号路径损失越大,为了克服这种损失,每个电路元件必须具备更强大的功能。另外,由于这些毫米波系统采用阵列形式,热管理变得非常困难,能效也变得极为重要。”

他说:“对于未来的无线通信,鉴于复杂的高频谱效率调制的使用日益增加,我们的头等大事是寻找以高数据速率来传输和接收信息的方法,实现非常高的线性度。”

Hua Wang教授表示,市场对天线/电路协同设计的需求日益增加,因为在高频率下波长更短,而且它们现在已经达到了与平面电子电路相同的水平。“这为功率组合、滤波、降噪甚至STAR通信带来了很多可能,虽然这些技术都直接属于天线技术领域,但我们应该全面考虑到所有因素。”他谈到,“例如,我们现在真的有机会重新构建无线前端系统,考虑分布式电子和辐射结构如何结合使用来调制、发射和接收复杂的电磁信号。我们可以研究它们在通信、成像和传感领域的用途。但这里的很多创新必须依赖于不同抽象层上的协同设计,并且利用不同领域的知识。在封装层面上,协同设计也非常重要,关于应该将天线放在封装上,还是放在芯片上,这是一个需要考虑的问题。”

Hua Wang教授表示,格芯的技术平台在这方面提供了诸多优势。他说:“45RFSOI平台在衬底上有很高的电阻,可以使用它开发高效的毫米波前端电路和天线。对于5G,我们一直在使用它和22FDX平台,因为它们非常适合高频毫米波应用。此外,根据各种研究,我们还看到了SiGe器件的发展前景,这些研究表明,作为晶体管速度的衡量指标,它们的Fmax值可以提升到700GHz甚至更高,这种技术有助于实现高良率和高效制造。”

Hua Wang教授指出,对于未来的高频无线系统而言,速度是唯一的关键要求。另外还必须能够在未知或动态环境中应对信号复杂性,同时保持低延迟,这些也非常重要。

他说:“理想的系统应该将先进的SiGe器件与高性能的CMOS技术集成在一起,帮助实现下一代无线电子产品所需的配置。幸运的是,我和学生可以使用这些技术,这要归功于格芯。”

Akademische Kooperationen stärken und beschleunigen den Weg von GF zur 6G-Führerschaft

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.

Wafer

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.

GerfersEr 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.

ParssinenProf. 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. 

WangProf. 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."

Rückblick auf den Monat der Frauengeschichte bei GLOBALFOUNDRIES

Von Emma Cheer
Global Diversity, Equity & Inclusion Leader, GlobalFoundries

Der "Women's History Month" war für GlobalFoundries (GF) eine Zeit der Inspiration und des Empowerments, und die Kolleginnen und Kollegen an unseren Standorten auf der ganzen Welt haben sich den Feierlichkeiten angeschlossen. Ich möchte Ihnen einige Höhepunkte der vielen Veranstaltungen und Programme vorstellen, die GF im März im Rahmen des Women's History Month durchgeführt hat.

Der Monat begann mit einem aussergewöhnlichen Ereignis: dem Internationalen Frauentag (IWD). GF nimmt seit mehreren Jahren am IWD teil, und jedes Jahr geht es darum, das Engagement von GF für Frauen zu zeigen und die Leistungen von Frauen zu würdigen.

Das diesjährige IWD-Thema lautete "Choose to Challenge", und GF-Kolleginnen und -Kollegen aus der ganzen Welt nahmen an einer Fotokampagne teil, um ihre Unterstützung zu bekunden und mitzuteilen, wie sie sich selbst und andere herausfordern würden, um geschlechtsspezifische Vorurteile und Ungleichheit zu bekämpfen.

Internationaler Frauentag

Unsere GlobalWomen-Mitarbeitergruppe veranstaltete virtuelle IWD-Feiern an unseren Standorten in aller Welt. Im Rahmen dieser Feierlichkeiten traf GF-Vorstandsmitglied Glenda Dorchak den CEO Tom Caulfield zu einem Kamingespräch. Sie diskutierten über Führungsqualitäten, Glenda Dorchak erzählte von ihrer bemerkenswerten Karriere, und sie sprachen unter anderem über die Notwendigkeit für Unternehmen, sich für Vielfalt und Integration einzusetzen.

Hier sind zwei Ausschnitte aus ihrem Gespräch:

In diesem Monat haben wir auch eine Videokampagne gestartet, in der weibliche Führungskräfte von GF über ihre Erfahrungen als Frauen in der Halbleiterindustrie sprechen. Diese Führungsfrauen haben nicht nur großzügig ihre Sichtweise und Erkenntnisse mitgeteilt, sondern auch hervorgehoben, was "Choose to Challenge" für sie bedeutet. Im Folgenden finden Sie Auszüge aus einigen dieser eindrucksvollen Videos:

Zum Abschluss des Women's History Month haben GF und der Partner Fairygodboss - die größte Karriere-Community für Frauen in den Vereinigten Staaten - gemeinsam einen speziellen Podcast und ein Webinar veröffentlicht. Emily Reilly, Senior Vice President und Chief Human Resources Officer von GF, setzte sich virtuell mit Romy Newman, Präsidentin und Mitbegründerin von Fairygodboss, für eine Episode von Fairygodboss Radio zusammen. Die Podcast-Reihe widmet sich Gesprächen mit erfolgreichen weiblichen Fachleuten, um über Lebenslektionen zu diskutieren und darüber, wie Frauen sich gegenseitig unterstützen, Veränderungen vorantreiben und die gläserne Decke durchbrechen können.

Hören Sie sich die vollständige Folge hier an.

Emily Reilly - FairyGodBoss Radio Zitat

Im Anschluss an den Podcast lud Emily Romy zu einer virtuellen Veranstaltung ein, an der GF-Mitarbeiter aus der ganzen Welt teilnahmen. Die Veranstaltung umfasste eine Präsentation von Romy und eine Fragerunde, in der die Mitarbeiter Fragen an Emily und Romy stellten.

Wir fördern nicht nur Frauen innerhalb unseres Unternehmens, sondern setzen uns auch für Frauen in unseren Gemeinden und auf der ganzen Welt ein. Anlässlich des "Women's History Month" hat GF in Zusammenarbeit mit unserem Philanthropieprogramm GlobalGives beschlossen, Spenden von Mitarbeitern an verschiedene gemeinnützige Organisationen, die sich für die Belange von Frauen einsetzen, hervorzuheben und zu verdoppeln - von der Förderung von Frauen in Führungspositionen über die Inspiration von Mädchen für Karrieren in den Bereichen Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik bis hin zu anderen Gleichstellungsbemühungen.

GlobalWoman

Es ist wichtig zu erwähnen, dass die oben genannten Bemühungen durch eine Zusammenarbeit zwischen dem Diversity and Inclusion Team von GF und GlobalWomen, der grössten Mitarbeitergruppe des Unternehmens, ermöglicht wurden. GlobalWomen wurde 2013 gegründet und hat sich zu einem florierenden Netzwerk von mehr als 1.500 GF-Mitarbeiterinnen auf der ganzen Welt entwickelt.

Wir bei GF setzen uns weiterhin dafür ein, dass sowohl in unserem eigenen Team als auch in der gesamten Halbleiterindustrie mehr Menschen vertreten sind. Wir investieren in Vielfalt und Integration. Das ist nicht nur richtig, sondern wir wissen, dass unser Erfolg davon abhängt.

Einer unserer Grundwerte bei GF lautet "Embrace" (Umarmung) - eine Erinnerung an die Stärke, die aus einer Kultur der Inklusion, des Einfühlungsvermögens und des Respekts erwächst. Unser Unternehmen und seine Kultur sind die Summe jedes einzelnen Mitarbeiters. Wir sind ONEGF, und der Weg, der vor uns liegt, ist vielfältiger, integrativer und erfolgreicher als je zuvor.

Vielfalt Gleichberechtigung Eingliederung

Frage und Antwort mit GF Master Inventor Yan Ping Shen

Foto von Yan Ping ShenBei GlobalFoundries ist der Titel "Master Inventor" Kollegen vorbehalten, die mindestens 20 erteilte US-Patente vorweisen können und eine nachweisliche Erfolgsbilanz in Bezug auf technische Leistungen und die Schaffung von geistigem Eigentum vorweisen können. 

Das Programm ist eine wirkungsvolle Plattform, um verdienstvolle Mitarbeiter zu ehren und andere Mitarbeiter zu motivieren, die mit dem Gedanken gespielt haben, ihre Erfindungen zum Patent anzumelden.

Die Master Inventors inspirieren und betreuen nicht nur ihre Kollegen, sondern stehen auch den Technologieführern und dem Rechtsteam von GF bei einer Reihe von technischen, strategischen und IP-Themen als Berater zur Seite.

Wir sprachen mit dem GF Master Inventor Yan Ping Shen aus unserem Malta-Team, um mehr über den Erfindungsprozess zu erfahren und den Innovationsgeist bei GF kennenzulernen.

F: Yan Ping, bitte stellen Sie sich kurz vor. 

Yan Ping: Ich bin derzeit ein leitendes Mitglied des technischen Personals im Integrationsteam. Ich bin seit 16 Jahren bei GlobalFoundries tätig. Ich habe 2005 bei GF in Singapur angefangen. Ich zog für eine einjährige Ausbildung nach Dresden und kam dann 2011 nach Malta. Seit ich bei GF bin, habe ich immer in der Prozessintegration gearbeitet.

Wie haben Sie sich gefühlt, als Sie erfuhren, dass Sie Master Inventor werden?

Es ist mir eine Ehre, einer der Master-Erfinder zu sein! Das spornt mich natürlich an, noch härter zu arbeiten.

Welche Rolle spielt das Patentwesen in Ihrer Karriere? Wie hat es Sie verändert?

Meine technische Führung. Das motiviert mich, mehr über die Entwicklung neuer Ideen nachzudenken. Ich bin auch Patentreviewer im FinFET-Patententwicklungsausschuss von GF. Seit ich dort bin, denke ich darüber nach, warum und wie die Einreicher auf diese Ideen kommen. Verschiedene Leute haben unterschiedliche und brillante Ideen, um das gleiche Problem zu lösen.

Wie kommen Sie auf Ihre Ideen?

Ich beteilige mich aktiv an Diskussionen mit anderen Erfindern und denke über alternative technische Lösungen nach. Wir finden Probleme und bilden ein Team, um alternative Lösungen zu diskutieren.

Was ist Ihrer Meinung nach ein wichtiger Bestandteil des Erfinderdaseins?

Neue Ideen haben, bereit sein, aktive Diskussionen mit anderen Erfindern zu führen, andere zur Teilnahme an Diskussionen ermutigen. Jeder muss sich einbringen. Die erfahreneren Erfinder können die Jüngeren ermutigen, sich ebenfalls zu beteiligen.

Welchen Rat würden Sie neuen Erfindern geben?

Ganz gleich, in welcher Phase Ihrer Karriere Sie sich befinden, scheuen Sie sich nicht, Ihre Meinung zu sagen, denn mangelnde Erfahrung bedeutet gar nichts. Engagieren Sie sich, egal was passiert. Nehmen Sie aktiv an Diskussionen teil. Es hilft auch, viele Artikel zu recherchieren, um ein Problem zu lösen.

Wenn Sie keine Patente einreichen oder überprüfen, was machen Sie dann zum Spaß?

Ich genieße den Marathonlauf. Ich trainiere jeden Tag und freue mich darauf, wieder an Marathons teilnehmen zu können.

22FDX-Technologie bringt echte Veränderungen für Augmented Reality

Strategische Partnerschaft zwischen GF und Compound Photonics wird zu leistungsfähigeren, kleineren, leichteren und energieeffizienteren AR/MR-Brillen führen.

von Gary Dagastine

Die Technologie der erweiterten und gemischten Realität (AR/MR) befindet sich an einem historischen Wendepunkt, und die kürzlich von GLOBALFOUNDRIES (GF) und Compound Photonics (CP, auch bekannt als CP Display) angekündigte strategische Partnerschaft treibt sie voran.

Die beiden Unternehmen werden zusammenarbeiten, um die Funktionsweise von augennahen Mikrodisplays zu verändern, die das Herzstück von AR/MR-Systemen bilden. Die IntelliPix™-Plattform von CP wird mit der branchenführenden 22FDX™-Halbleiterlösung von GF hergestellt, wodurch das weltweit erste AR/MR-spezifische Ein-Chip-Mikrodisplay in Echtzeit entsteht, das Pixel mit einer Größe von nur 2,5µm ermöglicht. Das Ergebnis ist die branchenweit fortschrittlichste Backplane-/Videopipeline mit Lichtmodulation, die eine Roadmap von Flüssigkristallen auf Silizium (LCoS) mit aktueller Amplitude über MicroLED bis hin zu holografischen Displays abdecken kann und gleichzeitig die erforderliche Leistung für Echtzeit-AR/MR-Systeme bietet.

IntelliPix

Die skalierbare und flexible Ein-Chip-Lösung unterstützt sowohl die bestehende LCoS-Technologie von CP als auch die kommende microLED-Display-Technologie von CP.

Bei IntelliPix geht es darum, nur die Pixel einzuschalten, die aktiv sein müssen, um das gewünschte Bild zu rendern, anstatt ständig alle Pixel eines Displays zu aktualisieren. Dies spart nicht nur Strom in den inaktiven Pixelbereichen, sondern führt auch zu einer höheren Bildqualität und Helligkeit, schnelleren Aktualisierungsraten und letztlich zu AR-Brillen mit fortschrittlicheren Funktionen und mehr Leistung, kleinerem und leichterem Formfaktor und einer viel längeren Lebensdauer mit einer einzigen Ladung.

Die IntelliPix-Architektur integriert die proprietäre Videopipeline von CP, die in Echtzeit reagiert und Kopfbewegungen und andere Umgebungsbedingungen kompensiert, eine softwareprogrammierbare Backplane zur dynamischen Steuerung der Pixel sowie Treiberschaltungen zur Bereitstellung der erforderlichen Leistung. Bislang waren dafür mehrere Chips erforderlich, aber die nächste Generation von AR-Brillen erfordert ein Ein-Chip-Design, das einfacher, leistungsfähiger, kleiner und weniger stromhungrig ist.

Eine natürliche Wahl

"Die branchenführende 22FDX-Lösung von GF ist aus vielen Gründen die erste Wahl", so Ed Kaste, Vice President of Industrial and Multi-Market bei GF. "Der extrem niedrige Stromverbrauch ist ein großer Vorteil, aber das ist nur der Anfang. Die 22FDX-Technologie hat eine höhere SRAM-Dichte als andere planare Technologien, und die SRAM-Dichte korreliert direkt mit der Pixeldichte, so dass IntelliPix die Pixelgröße deutlich verringern kann. Das Ergebnis ist eine leistungsstarke, hochintegrierte Lösung, die zu schlankeren, leichteren AR-Brillen beiträgt. Außerdem führt die Möglichkeit, Pixel ein- und auszuschalten und dabei die Body-Bias-Steuerung zu nutzen, zu weitaus besseren Ein- und Ausschaltzuständen, so dass ein Pixel, wenn es eingeschaltet ist, heller leuchtet und wenn es ausgeschaltet ist, wirklich ausgeschaltet ist, was den Stromverbrauch weiter senkt und thermische Effekte reduziert."

Ed KasteDie adaptive Body Bias (ABB)-Funktion der 22FDX-Technologie bietet Entwicklern deutlich mehr Präzision bei der Feinabstimmung der Transistorschwellenspannung eines Schaltkreises und ermöglicht es ihnen, die Leistung, Energieeffizienz, Fläche und Zuverlässigkeit eines Chips effektiver zu optimieren, um den Anforderungen einer bestimmten Anwendung gerecht zu werden.

"Die 22FDX-Technologie ermöglicht es CP auch, kundenspezifisches geistiges Eigentum (IP) einfach in das Design zu integrieren, ebenso wie Geräte mit höherer Spannung, die einige Mikrodisplay-Architekturen erfordern. Unsere vorhandenen Referenzdesigns und Ressourcen des Ökosystems machen diesen Entwicklungsprozess weit weniger schwierig als bei anderen Technologien", so Kaste.

Das Tapeout wird für Ende dieses Jahres erwartet, und die Muster werden im ersten Quartal 2022 an den Kunden von CP geliefert.

Lektionen aus der Natur gelernt

Seit 2016 konzentriert sich CP bei der Entwicklung von Mikrodisplays auf die Bereiche AR/MR und Heads-up-Displays, indem es sein umfangreiches IP-Portfolio für LCoS-Displays und fortschrittliche elektronische Antriebsarchitekturen nutzt. Basierend auf seiner Plattform der aktuellen Generation sind die Displays von CP in der Branche für den kleinsten Pixelabstand, die höchste optische Effizienz, die niedrigste Display-Latenz und die höchste Bildwiederholrate im Vergleich zu anderen Display-Anbietern bekannt. 

"Zu diesem Zeitpunkt verfügten wir über das branchenweit beste Mikrodisplay-Subsystem - Lichtmodulator, Backplane und Treiber -, was uns sehr geholfen hat, an Boden zu gewinnen", so Edmund Passon, Co-CEO von CP. "Aber in letzter Zeit habe ich angefangen, darüber nachzudenken, wie unser optisches System funktioniert, wenn wir es direkt ansteuern. Das optische Signal von der Netzhaut wird in mehrere Kanäle aufgeteilt und dort vorverarbeitet, bevor es das Gehirn erreicht. Die Verarbeitung ähnelt einer Kompression, ohne dass die Informationen, die das Gehirn bereits erhalten hat, erneut gesendet werden müssen", sagte er. "Mir wurde klar, dass wir, um die Leistung zu erreichen, die wir für die AR/MR-Brille der nächsten Generation anstreben, etwas Ähnliches in umgekehrter Richtung tun müssen, um die Bandbreite und den damit verbundenen Stromverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Leistung aufrechtzuerhalten. So können wir nur Daten senden, die sich ändern, und gleichzeitig eine hohe Leistung für aktive Objekte/Pixel bereitstellen, und das alles bei möglichst geringem Stromverbrauch."

Der Funktionsumfang der IntelliPix-Architektur teilt die Verarbeitung zwischen dem SOC und dem Display-Subsystem auf, sagte er. CP-Kunden, die kompatible Rendering-Pipelines aufbauen, können die Vorteile des Funktionssatzes voll ausschöpfen und für Echtzeit-AR/MR-Systeme optimieren. Die 28-nm-Halbleitertechnologie, auf die CP ursprünglich zurückgriff, war jedoch für das bahnbrechende Design von IntelliPix mit intelligenten Pixeln, das mit der 22FDX-Technologie erreicht werden kann, nicht geeignet.

"Unsere aktuelle Multi-Chip-Backplane-Architektur bestand aus einem Ein-Bit-Pixel mit hohem Bandbreitenbedarf. Wir begannen unsere Arbeit mit 28nm, aber um die gewünschte Pixelgröße mit der Menge an Logik zu erreichen, die IntelliPix unter dem Smart Pixel benötigt, brauchten wir die 22FDX-Lösung von GF mit ihrer klassenbesten Leistung, Energieeffizienz und breiten Fähigkeit zur Funktionsintegration", sagte Passon. "Mit Blick auf die Zukunft haben wir festgestellt, dass wir mit der IntelliPix-Architektur die Pixelgröße von derzeit 3,015 µm auf bis zu 2,5 µm reduzieren können, je nach Funktionsumfang. Das eröffnet die Möglichkeit, mikroLED-basierte Displays mit einem bayerischen Pixelraster zu entwerfen, das weniger benötigte Pixel unterstützt. Und auch hier wird die richtige Aufteilung zwischen dem Mikrodisplay und der SOC-Videopipeline/dem Rendering zu einem optimalen Gleichgewicht zwischen Stromverbrauch und Leistung führen. Die Skalierbarkeit einer Single-Chip-Lösung ist also entscheidend, und die 22FDX-Technologie ist dafür geeignet."

Eine einzigartige Partnerschaft

Ruby YanWir haben uns für eine Partnerschaft mit CP entschieden, weil das Unternehmen nicht nur technisch innovativ ist, sowohl was die Hardware als auch was die Software betrifft, sondern auch, weil es bereits seit einiger Zeit existiert und den Wert seines Angebots durch ein umfangreiches Netzwerk von Unternehmensbeziehungen unter Beweis gestellt hat", so Ran (Ruby) Yan, GF-Produktmanager für Wearables, Smart Home und Machine Vision-Produkte.

 "Was uns an CP besonders gefällt, ist, dass sie sich immer auf die schwierigsten Herausforderungen konzentrieren, und es ist aufregend und lohnend, an solchen Unternehmungen beteiligt zu sein, die nicht nur industriellen Fortschritt, sondern auch bedeutende positive Veränderungen in unserem täglichen Leben bewirken können", sagte sie.

Laut Yan bringt GF viel Erfahrung mit Display-Treibern in die Partnerschaft ein, sowohl integriert in Backplanes als auch als Standalone-ICs für Anwendungen wie Smartphones, Automobile und medizinische Geräte. "Wir verwenden die 22FDX-Basisplattform für diese Arbeit und erweitern damit unsere bisherigen Aktivitäten", so Yan. "Die erforderlichen Anpassungen werden sich beispielsweise auf das Backend des Linienprozesses auswirken, um dem optischen Interconnect einige einzigartige Funktionen hinzuzufügen.

Die Zukunft der Anzeige

Kaste sagte, dass Displays insgesamt ein wichtiger Schwerpunkt für GF sind, da sie eine wachsende Anzahl von Anwendungen in allen Geschäftsbereichen des Unternehmens umfassen. Die nachgewiesene Leistung und die aus diesem Engagement gewonnenen Erkenntnisse könnten die Display-Technologie und die Display-Wertschöpfungskette in Zukunft revolutionieren, sagte er und fragte Passon von CP, was die 22FDX-Technologie seiner Meinung nach für Anwendungen jenseits von AR/MR-Brillen bringen kann.

Dank der 22FDX-Plattform von GF bieten die Backplane-Designs von IntelliPix die nötige Flexibilität, um verschiedene Lichtmodulationstechnologien zu unterstützen.

"Das ist eine gute Frage", sagte Passon. "Seit wir mit der 22FDX-Technologie arbeiten, kommen uns immer wieder neue Ideen in den Sinn. Wir können uns zum Beispiel vorstellen, wie man mit der 22FDX-Technologie leistungsstärkere Videowände bauen könnte. Die Größe der LEDs ist zwar ganz anders, aber ihre Pflege und Versorgung ist die gleiche, und sie können die höchsten Einschaltzyklen erreichen, die IntelliPix bieten kann - man könnte eine beliebige Anzahl von Display-Kacheln zu einem wandbasierten Fernseher beliebiger Größe zusammenstellen."

"Außerdem haben wir im Laufe der Jahre viel mit Holografie gearbeitet, und die IntelliPix-Plattform in Verbindung mit den hohen Leistungsmerkmalen der 22FDX-Technologie ist dafür sehr gut geeignet", so Passon weiter. "Wir glauben, dass es eine fantastische Möglichkeit für AR-Heads-up-Displays im Automobilbereich gibt, holografische Objekte im 3D-Raum zu platzieren, um die Wahrnehmung und Reaktionsfähigkeit des Fahrers zu verbessern. In der Tat ist der Automobilsektor für holografische Anwendungen in naher Zukunft besonders attraktiv, wenn man bedenkt, wie viel Rechenleistung derzeit für computergenerierte Hologramme (CGH) erforderlich ist. Die Arbeiten im Bereich der CGH-Algorithmen versprechen eine Verringerung dieser Leistung, und IntelliPix wird sich problemlos in diese Systeme integrieren lassen, um Hologramme mit höchster Auflösung zu erzeugen.

Passon sagte, dass die Zukunft zwar viele neue und aufregende Möglichkeiten biete, es aber immer noch technische Herausforderungen gebe, die auf dem Weg dorthin branchenweit überwunden werden müssten. "Damit mikroLED-basierte Displays sowohl technisch als auch wirtschaftlich wirklich praktikabel werden, muss die Industrie Wege finden, die derzeit in der Fertigung verwendeten pixelierten Epitaxieverfahren zu kommerzialisieren. Für die Holografie müssen wir Wege finden, die erforderliche Rechenleistung zu reduzieren", sagte er.

Nichtsdestotrotz steht die AR/MR-Technologie derzeit an der Schwelle zu großen Veränderungen, und die Partnerschaft zwischen CP und GF spielt dabei eine Schlüsselrolle.

 

22FDX技术为增强现实带来真正的改变

格芯与Compound Photonics之间展开战略合,使AR/MR眼镜变得功能更强大、体积更小、重量更轻,并且能效更高。

撰文:Gary Dagastine

增强现实和混合现实(AR/MR)技术正处在一个关键转折点,为推动该技术向前发展,格芯®(GLOBALFOUNDRIES®)与Compound Photonics(CP,又称CP Display)最近宣布达成了战略合作关系。

CP Display

双方将携手变革AR/MR系统的核心技术——近眼微显示方式。CP的IntelliPix™平台将采用格芯出色的22FDX™半导体解决方案进行生产,以打造业界首款实时AR/MR专用单芯片微显示器,最小像素可达2.5µm。最终将得到光调制不限的业界先进背板/视频管道,技术路线图覆盖当前的振幅硅基液晶显示芯片(LCoS)、microLED,乃至全息技术,同时能够为实时AR/MR系统提供所需的性能。

该单芯片解决方案兼具可扩展性和灵活性,支持CP现有的LCoS技术以及即将推出的microLED显示技术。

IntelliPix的设计理念是,仅开启渲染目标图像所需激活的像素,而不是持续刷新显示器中的所有像素。这样不仅可在非活跃像素区域节省功耗,还可以提高图像质量和亮度,加快刷新率,最终使得AR眼镜变得功能更先进、性能更出色、体积更小、重量更轻,并且单次充电工作时间更长。

IntelliPix架构集成CP专有的视频管道,可响应头部运动和其他环境条件,进行实时补偿;背板具有软件可编程功能,用于进行动态像素控制;驱动器电路用来提供必要的功率。到目前为止,该实现仍需要多个芯片,但下一代AR眼镜要求采用更简单、性能更高、尺寸更小且功耗更低的单芯片设计。

水到渠成的选择

格芯工业和多市场业务部副总裁Ed Kaste表示:“格芯业界领先的22FDX解决方案是水到渠成的选择,理由有很多。超低功耗能力是其一个主要的优势,但这只是个开始。22FDX技术具有比其他平面技术更高的SRAM密度,而SRAM密度与像素密度直接相关,因此IntelliPix能够显著缩小像素尺寸。这样可以打造出高性能、高度集成的解决方案,有助于使AR眼镜更小巧、更轻便。此外,由于能够在充分利用体偏置控制的同时,开启和关闭像素,因此可实现更好的导通和关断状态,即像素开启时变得更亮,而像素关闭时会真正进入关断状态,从而进一步节省功耗并降低热效应。”

Ed Kaste22FDX技术的自适应体偏置(ABB)功能使设计人员在微调电路的晶体管阈值电压时获得更高的精度,更有效地优化芯片的性能、能效、面积和可靠性,以满足特定应用的需求。

Kaste表示:“22FDX技术还使CP能够轻松地将其客户专有的IP集成到设计中,以及某些微显示架构所需的高压器件中。我们现有的参考设计和生态系统资源使得该开发过程的挑战性远低于其他技术。”

预计将于今年年末流片,样品将于2022年第一季度交付CP的客户。

从实践中自然汲取的经验

自2016年开始,CP利用其在LCoS显示器和先进电子驱动架构中的丰富IP组合,将其微显示器的研发重点放到AR/MR和平视显示器上。与其他显示器供应商相比,CP基于当前一代平台的显示器已经因其具有最小像素间距、最高光学效率、最低显示延迟和最高帧率性能而在业内享有盛誉。

Ed PassonCP联合首席执行官Edmund Passon表示:“我们拥有当时业界最出色的微显示器子系统(光调制器、背板和驱动器),因此深受青睐。但最近,我开始思考当我们直接向光学系统馈入信号时,其工作方式如何。来自视网膜的光学信号被分割到多个通道,并在到达大脑之前进行预处理。该过程类似于压缩,使得无需重新发送大脑已经收到的信息。我认识到,要实现我们所追求的下一代AR/MR眼镜性能,我们需要进行一些类似的反向处理,以在保持性能的同时减少带宽和相关功耗。我们需要能够仅发送发生变化的数据,同时为活跃对象/像素提供高性能,并以尽可能低的功耗执行所有操作。”

他表示,IntelliPix架构功能集在SOC和显示子系统之间对处理进行了分区。CP的客户通过构建兼容的渲染管道,就可以充分利用针对实时AR/MR系统完全优化的功能集。但是,CP最初采用的28nm半导体技术并不能满足IntelliPix利用智能像素的突破性设计任务,而这可以通过22FDX技术实现。

Passon表示:“我们目前的多芯片背板架构由一个对带宽有很高要求的1位像素组成。我们的研发工作始于28nm,但是要在智能像素条件下达到理想的像素尺寸和IntelliPix所需的逻辑量,则需要格芯的22FDX解决方案,因为该解决方案具备出色的性能、功效和广泛的功能集成能力。此外,展望未来,虽然我们当前的像素尺寸为3.015μm,但我们发现IntelliPix架构将使我们能够根据功能集将像素尺寸缩小到2.5µm。这使得设计microLED显示器成为可能,该显示器采用拜尔式像素网格,支持更少的所需像素。同样地,在微型显示器和SOC视频管道/渲染之间进行适当的分区,将可实现功率/性能的出色平衡。因此,任何单芯片解决方案的可扩展性都至关重要,而22FDX技术恰好符合这一要求。”

独特的合作关系

格芯可穿戴设备、智能家居和机器视觉产品业务部产品经理Ran(Ruby)Yan表示:“我们之所以选择与CP合作,不仅是因为其在硬件和软件方面的技术创新,还因为CP公司成立已有一段时间,并且拥有广泛的企业关系网络,展示了他们所提供产品的价值。

Ruby YanCP最让我们看重的一点是,他们始终以应对最困难的挑战为目标,能够参与其中是件令人兴奋的事情,让人很有成就感,这不仅可以带来产业进步,还可以给我们的日常生活带来重大的积极变化。”

Yan表示,格芯为此次合作带来了丰富的显示驱动器经验,适合智能手机、汽车和医疗设备等应用,既可与背板集成,又可作为独立IC。她表示:“我们使用22FDX基准平台进行此项目,这也是我们现有研发工作的扩展。例如,所需的可定制化将影响生产线流程的后端,以便为光学互连增加一些独特的功能。”

显示器的未来

Kaste表示,总的来说,显示技术是格芯的一个重点,因为它们的应用范围越来越广泛,横跨公司的所有业务部。他还表示,从此次合作中获得的性能和经验可能会彻底改变显示技术和未来的显示价值链。他曾问过CP的Passon,22FDX技术可以为AR/MR眼镜以外的应用带来什么。

vDrive vs. iDrive

Passon回答道:“这是一个很好的问题。自从开始采用22FDX技术以来,我们就不断涌现出新想法。例如,我们发现可以使用22FDX技术来制作性能更高的视频墙。LED的尺寸差异很大,但借助IntelliPix可提供的最高占空比能力,它们的工作条件相同,因此您可以将任意数量的显示片拼接在一起,制造出任何尺寸的电视墙。”

Passon继续说道:“此外,多年来,我们在全息技术方面做了大量努力,搭载高性能22FDX技术的IntelliPix平台可很好地满足这一要求。我们认为在汽车AR平视显示器中存在一个绝佳的机会,即将全息对象置于3D空间中,以增强驾驶员的感知和响应能力。实际上,结合考虑目前计算机生成全息图(CGH)所需的计算/功耗,全息应用在短期内对汽车行业特别有吸引力。CGH算法领域的研究显示该功耗有望降低,IntelliPix将准备好与这些系统轻松集成,以生成高保真度的全息图。”

Passon表示,尽管未来令人兴奋的新机遇众多,但要实现这一目标,仍需在全行业范围内克服一些技术挑战。他表示:“要使microLED显示器在技术上和经济上更具实用性,业界必须找到方法,将当前生产中的像素化外延制造工艺商业化。同时,对于全息技术,我们必须找到方法来降低所需的计算功耗。”

不管怎样,AR/MR技术目前正处于重大变革的边缘,CP与格芯之间的合作关系正为实现这一变革发挥重要作用。

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