Von Dave Lammers

GF hatte bereits einige Erfolge mit der 22FDX-Technologie, aber in der konservativen Halbleiterindustrie braucht es Zeit und Mühe, um eine neue Technologie zum Laufen zu bringen. Nach mehreren Jahren der Vorarbeit ist jetzt die Zeit für FDX gekommen, denn 5G, Automotive und RF-fähige IoT-Geräte stellen allesamt schnell wachsende Märkte für die vollständig erschöpfte SOI-Technologie dar.  

Ed Kaste, Vice President of Industrial and Multi-Market bei GF, sagte auf einer Breakout-Session der GLOBALFOUNDRIES Technology Conference (GTC 2019), dass GF in diesem Jahr rund 100 Millionen 22FDX-Geräte ausliefern wird. 

Ein Design-Volumengewinn kam im Bereich Power Management zustande, wo die Vorteile von FDX in den Bereichen Analog, RF und Low-Power-Betrieb einen Vorteil gegenüber Bulk-Bausteinen darstellten. Jamie Schaeffer, Senior Director of Mobility and Wireless Infrastructure Market bei GF, sagte: "Wir glauben, dass der Nachweis, was FDX in dieser Power-Management-Anwendung leisten kann, uns helfen wird, weitere großvolumige Design-Gewinne im IoT-Bereich zu erzielen. "Obwohl die Power-Management-Die relativ klein sind und die Anzahl der benötigten Wafer nicht riesig ist, sagte Schaeffer, dass dies ein Beispiel dafür ist, wie der 22FDX - auch ohne Body Biasing - gezeigt hat, dass er "einfach ein besserer Transistor ist". Bei 0,5 V, auf die viele der Design Wins abzielen, verbraucht die SOI-basierte FDX-Technologie viel weniger Strom, hat weitaus weniger Leckagen und die HF-Leistung hat "sogar die ursprünglichen Erwartungen von GF übertroffen", sagte Schaeffer auf der GTC 2019, die Ende September in Santa Clara stattfand.

Auf der Konferenz hatte ich den Eindruck, dass sich die FDX-Technologie erst jetzt zusammenfügt - mehr Teile, als in diesem Blog beschrieben werden können, daher möchte ich mich hauptsächlich auf die adaptive Karosserievorspannung konzentrieren. 

Nur sehr wenige der FDX-Designs haben Body Bias verwendet, was zum Teil daran liegt, dass bisher nicht viele Designer in der Lage waren, Body Biasing zu implementieren, um die Leistung zu verbessern oder den Stromverbrauch zu senken. Und in einigen Anwendungsfällen verbrauchte die IP, die zur Implementierung des Body Biasings verwendet wurde, selbst eine beträchtliche Menge an Strom, was einen Teil der Gesamtgewinne beim Stromverbrauch zunichte machte. 

Body Bias Ökosystem bereit

Doch das ändert sich jetzt. Adaptive Body Biasing (ABB) wird jetzt vollständig unterstützt, und insgesamt ist eine viel umfangreichere FDX-IP-Bibliothek von mehreren IP-Anbietern verfügbar, darunter Synopsys für Anwendungen im Automobilbereich, ARM für IoT CryptoIsland™security, IP von VeriSilicon und einige andere. 

Schaeffer erklärte den GTC-Teilnehmern: "Body Biasing ist wohl das wichtigste Unterscheidungsmerkmal von FDX, aber es wurde bisher nicht in großem Umfang eingesetzt, weil es kein vollständiges Body-Bias-Ökosystem gab. In den letzten Jahren haben wir das erste Body-Bias-Ökosystem aufgebaut, einschließlich der Bibliotheken und Speicher mit Prozess-, Spannungs-, Temperatur- und Body-Bias-Charakterisierung. Es gibt Body-Bias-Generatoren und Referenzdesigns von Cadence und Synopsys. Wir sind bereit, vom Design und der Planung bis hin zur Charakterisierung und dem Test."

Schaeffer sagte, das Ziel sei es, "die Anwendungsfälle für unsere Kunden zu vereinfachen. Es gibt keine Grenzen, was ein kreativer Designer mit Body Biasing machen kann, aber in gewissem Maße haben wir es zu sehr verkompliziert. Um den Designzyklus zu vereinfachen, ermöglichen wir unseren Kunden, den Prozess mit Body Biasing zu kompensieren. Allein dadurch lässt sich die Leistung des Designs um bis zu 30 Prozent verbessern. Wenn man darüber nachdenkt, ist das vergleichbar mit einer Verbesserung um einen halben oder ganzen Knotenpunkt mit nur einem Design-Tweak."

Schaeffer kündigte auf der GTC an, dass die integrierte Sicherheits-IP von ARM, das so genannte Integrated Secure Element (iSE), jetzt von der 22FDX-Plattform unterstützt wird, was es Entwicklern von IoT-Geräten erleichtert, eine Sicherheitszertifizierung zu erhalten.  

ARMs integriertes Secure Element (iSE) IP, das jetzt für 22FDX-basierte SoCs verfügbar ist, senkt die Einstiegshürde für Siliziumhersteller, die hochsichere Standards benötigen
(Quelle: GTC 2019)

Wichtige IP von Dolphin Design

Philippe Berger, der CEO von Dolphin Design (Meylan, Frankreich), sagte, dass 30 seiner Ingenieure in diesem Jahr IP und Testchips entwickelt haben, die adaptives (vorwärts oder rückwärts) Body Biasing (ABB) auf der FDX-Plattform unterstützen (eine Vorwärtsspannung senkt die Schwellenspannung, um die Leistung zu steigern, während eine Rückwärtsspannung die Vt anhebt, um den Leckstrom zu reduzieren).

Die ABB-Funktion ermöglicht es Entwicklern, Vorwärts- und Rückwärts-Body-Bias-Techniken zu nutzen, um Prozess-, Versorgungsspannungs- und Temperaturschwankungen (PVT) sowie Alterungseffekte dynamisch zu kompensieren. Die IP von Dolphin umfasst die Body-Bias-Spannungsregelung, PVT-Monitore und Alterungssensoren sowie einen Regelkreis. Da die Sensoren die PVT-Eigenschaften überwachen, "kann die Bulk-Spannung angepasst werden, um die Transistoreigenschaften wieder in den gewünschten Bereich zu bringen", so Berger.

Die Dolphin-IP bietet eine Design-Methode, mit der die Vorteile des Eckenstraffens voll ausgeschöpft werden können", sagte er. Dolphin unterzeichnete im Januar dieses Jahres einen Vertrag zur Entwicklung des geistigen Eigentums von ABB mit GF, und die IP ist jetzt verfügbar. Während der Kunde die IP von Dolphin lizenziert, ist sie laut Berger als "GF-gesponserte" IP kostenlos. 

"Im Grunde verwendet heute fast niemand Body Biasing, weil die Designumgebung nicht vorhanden ist", sagte Berger und prognostizierte, dass "Body Biasing-Lösungen in Zukunft wichtig sein werden, vor allem, wenn Designer HF mit dem Rest der Schaltung integrieren." Die BodyBiasing-Fähigkeiten kommen mit dem Aufblühen der 5G-Mobilfunk- und IoT-Märkte, sagte Berger, wobei BB häufig in den Funktionen Leistungsverstärker (PA) und rauscharmer Verstärker (LNA) eingesetzt wird. 

Die adaptive Body Bias (ABB) IP von Dolphin ist Teil des Body-Bias-Ökosystems von GF, das die Leistung, Latenz und Energieeffizienz verbessern soll.
Quelle: GTC 2019)

Bhaskar Kolla, Vice President of Customer Engineering bei Invecas, Inc. sagte, dass Invecas eine Standard-Zellbibliothek mit den richtigen Eckdaten für die Anwendung des adaptiven Body Biasings erstellt hat. Die "Hooks" in den Invecas-Bibliotheken arbeiten mit der ABB-IP von Dolphin zusammen. "Die Dolphin-IP wird die Anwendung des dynamischen (adaptiven) Biasings erleichtern. Einige Kunden haben statisches Biasing (Forward Biasing) verwendet, aber mit adaptivem Biasing können die Kunden entweder Forward oder Backward Biasing verwenden. Unsere Bibliotheken unterstützen das jetzt", so Kolla.

John Pellerin, Cheftechnologe für Plattformen und Vizepräsident für weltweite Forschung und Entwicklung bei GF, sagte, dass die nächste Generation des FDX-Verfahrens, 12FDX, weitere Vorteile für ABB mit sich bringt. Die Well-Strukturen im 22FDX-Verfahren erfordern, dass die Vorspannung für einen bestimmten Schaltungsblock im Voraus festgelegt wird, und zwar plus oder minus zur Nennspannung, während es mit dem 12FDX-Verfahren möglich sein wird, die Vorspannung in beide Richtungen mit einer sehr feinen Granularität der Schaltung zu schalten. "Ich vergleiche es gerne mit einer Straße. Mit 22FDX ist es wie ein Stadtblock, in dem der Verkehr nur in eine Richtung fließen kann, während mit 12FDX der Verkehr innerhalb dieses Stadtblocks in beide Richtungen fließen kann."

GF hat sich neu organisiert und eine Division geschaffen, die sich mit Prozessplattformen, IP und anderen Design-Enablement-Elementen für Automotive-, Industrie- und Multi-Market-Anwendungen (AIM) befasst. Letztere umfassen IoT-ähnliche Märkte wie Low-Power-Mobilfunknetze, die in der Landwirtschaft und in Smart Cities, in der Medizintechnik, in der Wearable-Elektronik, in Smart Homes und in anderen Bereichen eingesetzt werden. 

Kaste sagte dem GTC-Publikum, dass er trotz eines Rückschritts vom früheren Hype über das Wachstum des IoT-Marktes glaubt, "dass wir hoffen, zeigen zu können, dass er jetzt absolut abhebt", wobei die AIM-Märkte Automobil, Industrie und Multi-Market bis 2022 auf 24 Milliarden Einheiten wachsen werden. Darüber hinaus wird fast der gesamte AIM-Markt (98 Prozent) bis 2022 und darüber hinaus" Designregeln von 12nm und größer verwenden. 

Jedes Watt zählt

Damit diese Vorhersagen Wirklichkeit werden, ist die Begrenzung des Energieverbrauchs von entscheidender Bedeutung, was eine große Chance für die FDX-Technologie darstellt. Die Milliarden oder gar Billionen von angeschlossenen Geräten müssen extrem wenig Strom verbrauchen. Wie Aart de Geus, Co-CEO von Synopsys, in seiner Keynote auf der GTC sagte, zählt in Zeiten der globalen Erwärmung "jedes Watt".

Die Kombination von 5G-Netzen, die es KI-gestützten IoT-Geräten ermöglichen, viel größere Datenmengen an die Cloud zu senden, hat einen Multiplikatoreffekt. "IoT, multipliziert mit 5G, wird zu immensen Datenmengen führen, die an die Cloud gesendet werden. Das bedeutet jedoch einen unglaublichen Energiebedarf, und das zu einer Zeit, in der sich jeder über den Klimawandel Gedanken machen muss. Die Überlebensfähigkeit unseres Planeten steht auf dem Spiel", sagte de Geus.