von: Dave Lammers

Ich traf Sorin Voinigescu zum ersten Mal 1995, als er - mit einem frisch erworbenen Doktortitel in der Hand - auf dem International Electron Devices Meeting (IEDM) einige der frühen Arbeiten zu HF-Schaltungen in CMOS-Technologie vorstellte.

Fast 24 Jahre später forscht Voinigescu ebenso innovativ im Bereich der Quanteninformatik und nutzt den 22FDX®-Prozess von GLOBALFOUNDRIES (GF), um zu untersuchen, wie Qubits in die HF-Steuer- und Ausleseschaltungen integriert werden können. Und Voinigescu sieht eine Art Moore'sches Gesetz für Quantengeräte, bei dem verkleinerte Qubits und unterstützende Schaltkreise bei höheren Temperaturen arbeiten können, wodurch das knappe Helium, das in der heutigen Kryotechnik verbraucht wird, vielleicht überflüssig wird.

Heutige Quantengeräte sind größtenteils supraleitende Josephson-Übergangs-Bauelemente, die bei Millikelvin-Temperaturen arbeiten und über Drähte mit der Steuer- und Messelektronik verbunden sind. Voinigescus Labor an der Universität von Toronto untersucht, wie man halbleiterartige Qubits herstellen kann, die mit Millimeterwellensignalen gesteuert werden können. Die heutigen supraleitenden Qubits haben Quantenenergie-Trennniveaus im Bereich von 5-10 GHz. Um das Quantengatter zu betreiben, müssen die Mikrowellen-Steuersignale bei dieser Frequenz liegen, also im Bereich von 5-10 GHz.

"Alle Qubits, unabhängig von ihrer Implementierung, ahmen einen Spin nach, und die Steuerung erfolgt mit einem Signal, das mit der Elektronenspin-Resonanzfrequenz des Qubits in Resonanz treten muss", erklärte Prof. Voinigescu. Man kann sich das so vorstellen, dass jedes Quantengatter das Äquivalent eines 5G-Mobilfunksignals erfordern könnte, vielleicht im 60-GHz-Bereich. Tatsächlich wurde er vor einigen Jahren auf das Gebiet der Quanteninformatik aufmerksam, als er an einer Sitzung zum Thema Quanteninformatik auf der IEDM teilnahm und erkannte, dass seine zwei Jahrzehnte währende Forschung auf dem Gebiet der Hochfrequenzschaltungen eine Rolle auf dem Gebiet der Quanteninformatik spielen könnte.

22FDX bei 3,3 Grad Kelvin

Bei der Suche nach Quantencomputern für höhere Temperaturen, bei denen die Geräte von jeglicher Wärme oder Störung isoliert sein müssen, gibt es eine "Dreifaltigkeit", wie er es nennt. Je kleiner die Gate-Breite des Transistors ist, desto höher ist die Frequenz, die zur Anregung des Qubit-Gates erforderlich ist, und desto höher ist die Temperatur, bei der es betrieben werden kann. Die 22FDX-basierten Bauelemente, die das Voinigescu-Labor untersucht, haben eine Gate-Breite von 50 nm (die Gate-Länge beträgt 18 nm und die Kanaldicke 6-7 nm). Durch die Verringerung der Gate-Breite kann eine etwas höhere Temperaturumgebung für die Qubits, Steuer- und Messschaltungen genutzt werden.

Und das Coole (entschuldigen Sie das Wortspiel) am 22FDX-Verfahren ist etwas, das das Labor in Toronto und seine Partner kürzlich entdeckt haben: Bei den extrem niedrigen Temperaturen, die für Quantensysteme erforderlich sind, verbessert sich die Leistung der aktiven und passiven Hochfrequenzbauteile tatsächlich.

Das Team der Universität Toronto, das u. a. mit GF und den Industriepartnern Lake Shore Cryotronics und Keysight Technologies zusammenarbeitet, berichtete auf der RFIC-Konferenz 2019 im Juni in Boston, wie mit dem 22FDX-Verfahren monolithisch integrierte Doppel-Quantenpunkte mit Auslese-Transimpedanzverstärkern (TIAs) hergestellt wurden, deren Ausgang auf 50 Ω abgestimmt ist.

Noch wichtiger für das Schaltungsdesign ist, dass die Forscher feststellten, dass sich die Hochfrequenzleistung aller aktiven und passiven Bauelemente, die in einer 22nm 22FDX-Produktionstechnologie hergestellt wurden, bei 3,3 Grad K verbesserte, wobei die Polysilizium-Widerstände nicht variierten und der Qualitätsfaktor der MOM-Kondensatoren verbessert wurde.

"Das Besondere an FD-SOI ist, dass die Schaltkreise bei niedrigen und hohen Frequenzen nicht durch Entionisierung beeinträchtigt werden, wie es bei Bulk-MOSFETs der Fall ist. Aus diesem Grund erhalten wir eine wesentlich bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen, gemessen bis zu 2 Grad Kelvin. Tatsächlich sehen wir signifikante Verbesserungen bis hinunter zu 60-70 Grad K, und darunter bleibt die Leistung im Wesentlichen gleich", sagte er. Transkonduktanz, Mobilität und fmax haben sich alle verbessert, und das hat wichtige Auswirkungen auf den Weltraum, Satelliten und andere Niedrigtemperaturumgebungen.

Bei niedrigen Temperaturen steigen die Schwellenspannungen für n-MOSFETs und sinken für p-MOSFETs, unabhängig von der Technologie. Bei FD-SOI kann das Back-Gate verwendet werden, um die Vts auf den optimalen Betriebspunkt einzustellen. Die Schaltungen können bei Raumtemperatur entworfen und dann bei niedrigen Temperaturen "validiert" werden, indem die Vt's mit Back-Gate-Biasing eingestellt werden. Schaltungen, die bei Raumtemperatur einen "Sweet Spot" finden, so Voinigescu, können diese Stromdichte bis zu 2 Grad Kelvin beibehalten.

Kleinere Abmessungen helfen, die Temperaturen zu erhöhen

Jamie Schaeffer, Product Offering Manager für die 22FDX- und 12FDX-FD-SOI-Plattformen bei GF, erklärt, dass die Qubits in der aktiven Schicht von sechs oder sieben Nanometern entstehen, die Coulomb- und Spin-Blockade-Bauelemente einschließt, die durch das vergrabene Oxid gewissermaßen eingekesselt sind. "Wir müssen die Spin-Schichten dazu bringen, miteinander zu interagieren, und mit fortschrittlicheren Dimensionen können wir uns ihnen annähern. Da wir von 22 auf 12 FDX gehen, dienen die kleineren Abmessungen dem Ziel des Quantencomputings bei höheren Temperaturen", so Schaeffer.

Nigel Cave, ein Technologe, der im CTO-Büro von GF arbeitet, sagte, dass es mit der Skalierung von Halbleiter-Qubits auf kleinere Dimensionen möglich sein könnte, die Betriebstemperatur des Quantensystems auf über 4 Grad Kelvin zu bringen, statt auf 10-100 MilliKelvin wie bei den heutigen Systemen. Dies würde die Verwendung eines Standard-Helium-Kryostats anstelle eines Verdünnungskryostats ermöglichen, wodurch die Kosten gesenkt und außerdem 1-2 Watt Gesamtleistung aus dem System entfernt werden könnten. "Die Möglichkeit, mehr Leistung zu entfernen, ebnet möglicherweise den Weg für die gemeinsame Integration der Qubits und ihrer Steuerschaltungen in ein und dasselbe FDX-basierte Gerät", so Cave.

Schaeffer sagte, dass IBM, Google, Intel, Microsoft und andere große Quantenforschungsprogramme betreiben. "In unserem Fall glauben wir, dass wir etwas beitragen können, das unseren Partnern, die auf dem Gebiet der Quantenwissenschaften bedeutende Arbeit leisten, hilft. Wir haben ein Toolset, das herstellbar ist, und die Nutzung unserer Prozessintegrationsfähigkeiten ist ein Weg, um die Kosten zu senken."

Zwei Camps im Quanten-Ökosystem

Ted Letavic, Vizepräsident und Senior Fellow bei GF, sagte, dass sich die Quantencomputer-Gemeinschaft in zwei Lager aufteilen lässt: Diejenigen, die nach Möglichkeiten suchen, Tausende von Qubits zu erzeugen, um die Leistung von Quantencomputern zu erhöhen, und diejenigen, die sich dafür einsetzen, dass die derzeit existierenden Systeme mit etwa 50 bis 100 Qubits für die Lösung von Problemen in der realen Welt besser genutzt werden.

"Die eine Fraktion sagt, wir brauchen Tausende von Qubits, die andere Fraktion sagt, wir haben jetzt 50-100 Qubit-Systeme und wissen nicht, was wir mit ihnen machen sollen. Eine Antwort ist der freie Zugang in Konsortien. Gemeinsam können wir am besten herausfinden, wie wir sie nutzen, wie wir einen wirtschaftlichen Wert schaffen und unsere Wirtschaft voranbringen können", sagte er.

GF verfügt über "einige Schlüsseltechnologien, die helfen können" und fungiert als foundry für Start-ups, Universitäten und andere, die verschiedene Ansätze untersuchen. Letavic, Cave und John Pellerin, stellvertretender CTO und Vizepräsident für weltweite Forschung und Entwicklung, lieferten dem Energieministerium, das Anfang des Jahres eine Informationsanfrage zur bestmöglichen Organisation der Quantum Information Science Centers (QISCs) veröffentlicht hatte, ihren Input.

Sie argumentierten, dass die derzeitige Forschungs- und Entwicklungsarbeit größtenteils in nicht standardisierten Universitätslaboratorien durchgeführt wird, während GF eine Prozessintegration und eine frühe Fertigung für Forscher, Start-ups und andere Teilnehmer an den QISCs anbieten könnte. Die Zusammenarbeit mit Gießereien würde sicherstellen, dass "Geräte, die das Potenzial von Quantensystemen erschließen sollen, in großem Umfang mit den vorhandenen Produktionsanlagen hergestellt werden können".

Letavic verwies auf die Arbeit von Prof. Voinigescu als ein Beispiel aus der Praxis, bei dem sich FD-SOI-Bauelemente als vorteilhaft für E/A bei 4 Grad Kelvin erwiesen haben und eine vielversprechende Quelle für Qubit-Transistoren darstellen, die in der sehr dünnen FD-SOI-Schicht eingeschlossen sind. Für das Projekt in Toronto wurden Wafer-Shuttles verwendet, die in der Produktionsstätte von GF in Dresden (Deutschland) verarbeitet wurden.

GF verfügt auch über eine Silizium-Germanium-Plattform und eine Silizium-Photonik-Plattform, die eine Rolle bei der Erschließung der Quantenphysik spielen könnten.

"Ich glaube an die Quantencomputer, aber sie werden zu den klassischen Computern additiv sein", sagte Letavic. "Die Gesellschaft, die als erste eine Infrastruktur für Quantencomputer schafft, wird einen sehr großen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber den anderen haben. Und ob man nun zu denjenigen gehört, die die maximale Anzahl von Qubits anstreben, oder zu denjenigen, die herausfinden wollen, wie man Quantensysteme bestmöglich nutzen kann, GF spielt in beiden Bereichen mit."

von: Gary Dagastine

Der erste Teil einer dreiteiligen Serie blickt zurück auf die ersten 10 Jahre von GF und voraus auf das nächste Jahrzehnt und darüber hinaus.

GLOBALFOUNDRIES feiert sein 10-jähriges Bestehen und befindet sich an einem wichtigen Wendepunkt. Angetrieben von finanziellen Zwängen und sich verändernden Geschäftsmöglichkeiten hat CEO Tom Caulfield einen umfassenden strategischen Wandel eingeleitet. Ziel ist es, die Ressourcen des Unternehmens besser zu nutzen und die Investitionsrendite zu steigern, indem man sich auf Anwendungen konzentriert, bei denen die vielfältigen, differenzierten Technologien von GF deutliche Vorteile bieten.

Um dies zu erreichen, ist es unerlässlich, dass die Mitarbeiter von GF gemeinsame Ziele verfolgen, und es gibt eine unternehmensweite Initiative mit dem Namen ONEGF, die dies erleichtern soll. Aber das ist für jedes Unternehmen kein einfacher Prozess, und er ist noch schwieriger, wenn man die Ursprünge von GF bedenkt: Es begann als Abspaltung der AMD-internen Fertigung in Dresden, Deutschland; dann erwarb GF die Chartered Semiconductor foundry in Singapur; baute eine neue Anlage foundry in Malta, NY; und als ob das noch nicht genug wäre, erwarb es die ehemalige IBM-interne Technologieentwicklungsgruppe und die Chipfertigung in New York und Vermont.

In Anbetracht der vielen Veränderungen, die stattgefunden haben, wollte Foundry Files von langjährigen Mitarbeitern aus verschiedenen Bereichen des Unternehmens wissen, wie GF dorthin gekommen ist, wo es heute steht, um zu erfahren, ob es Lehren aus diesen Erfahrungen gibt, die bei den vor uns liegenden Herausforderungen helfen können.

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, warum die folgenden GF-Mitarbeiter der Meinung sind, dass der Sinn für gemeinsame Ziele, die Konzentration auf den Kunden und die Zufriedenheit mit verschiedenen Arten von technologischen Innovationen der Schlüssel zum Erfolg im nächsten Jahrzehnt sein könnten.

Learning by Doing in Dresden: Von einer IDM zu einer Foundry

"Wir können viele Narben vorweisen", sagte Jens Drews, Director of Communications & Government Relations für Fab 1 in Dresden, und bezog sich dabei auf die schwierige Umstellung der Fab von einer reinen Produktionsstätte für AMD-Mikroprozessoren zu einer foundry , die die vielfältigen Anforderungen neuer Kunden erfüllt und gleichzeitig mehrere neue Technologien einführt.

Auf die Frage, wie er die Entwicklung der Website in den letzten zehn Jahren beschreiben würde, dachte Jens einen Moment nach und kam dann mit der ersten Zeile aus Charles Dickens' Eine Geschichte aus zwei Städten zurück: "Es waren die besten Zeiten, es waren die schlimmsten Zeiten, ... es war die Zeit des Lichts, es war die Zeit der Dunkelheit; es war der Frühling der Hoffnung, es war der Winter der Verzweiflung", und er fügte hinzu, dass die Dynamik und das Wachstumspotenzial der fab eindeutig auf die "besten Zeiten" hinwiesen.

Jens, das Sprachrohr des Dresdner Standorts von GF gegenüber den Mitarbeitern, den deutschen und europäischen Medien und Regierungen, weiß das, denn er ist seit über 23 Jahren am Standort und hat die Veränderungen aus erster Hand miterlebt.

"Wir begannen in Dresden mit einem klaren Ziel - mit Intel bei CPUs zu konkurrieren - und wir waren ungeheuer stolz, als wir das geschafft hatten", sagte er. "Aber in den letzten Jahren, als wir noch zu AMD gehörten, vollzog sich in der Chipindustrie ein großer Paradigmenwechsel, weg vom ursprünglichen IDM-Modell hin zu einem Modell, das den Aufstieg von fabless und fab-light-Unternehmen und Foundries mit sich brachte. Eine Zeit lang war AMD Dresden eine Insel der Stabilität in einem Meer von Veränderungen, und wir gingen unserer Arbeit wie immer nach, immer nur mit einem Kunden, einer Technologie und einer Produktfamilie auf einmal. Aber Anfang der 2000er Jahre war klar, dass die Veränderungen in unserer Branche Dresden irgendwann einholen würden - und zwar wahrscheinlich eher früher als später."

"Als wir dann Teil von GF wurden, fanden wir uns buchstäblich über Nacht in einem völlig anderen Ballspiel wieder. Es war, als würde man von Volleyball auf Rugby umsteigen. Sie können sich vorstellen, dass es Zeit und einige harte Schläge brauchte, bis wir uns an die Regeln des neuen Spiels gewöhnt hatten", erinnert er sich.

"Welcome to GLOBALFOUNDRIES Fab 1" wurde im März 2009 auf die Fassade des Dresdner Bürogebäudes projiziert.

Jens erwähnte zum Beispiel den steilen Einstellungsanstieg in den Jahren 2009/10, der viel "neues Blut" von Unternehmen wie Qimonda, Chartered Semiconductor und aus der Solarindustrie brachte. Sie kamen zu einem ziemlich homogenen Team, das tief in die AMD-Kultur eingewurzelt war. "Obwohl dies für Aufregung und neue Perspektiven sorgte, war es dennoch ein Schock für das System, denn bis dahin waren wir sozusagen eine fröhliche Schar von AMD-Brüdern und -Schwestern gewesen, und nun mussten wir überall mit Veränderungen fertig werden. Sicherlich haben wir eine Phase der Wachstumsschmerzen durchgemacht", sagte er.

Aber das war damals, und heute ist GF Dresden eine feste Größe in der weltweiten foundry Industrie. Die innovative 22FDX® FD-SOI-Technologie von GF ist auf dem Vormarsch und stößt bei einigen der am schnellsten wachsenden Anwendungen in der Branche auf immer größeres Interesse, ebenso wie die Plattformen mit 28, 40 und 55/65 nm.

"Heute haben wir eine langfristige Strategie, die Dresden als High-Mix 'More than Moore' foundry Fab mit Fokus auf anspruchsvolle Märkte wie Automotive, Security, 5G und AI positioniert. Damit werden wir jetzt Teil wichtiger europäischer industrieller Wertschöpfungsketten wie der Automobilindustrie", sagte er. Jens merkte an, dass die Neuausrichtung des Unternehmens im Jahr 2018 mit der strategischen Entwicklung des Standorts Dresden weg von der reinen Skalierung hin zu funktionsreichen Plattformen für neue Märkte neben der Computer- und Kommunikationstechnik einhergeht.

"Wir haben noch nie eine bessere Abstimmung zwischen Unternehmens- und Standortstrategien gesehen, was es uns ermöglicht, uns voll und ganz auf die vielfältigen Bedürfnisse neuer und alter Kunden und ihrer spannenden Märkte zu konzentrieren."

Seine Schlussfolgerung: "Die Zukunft von Dresden sieht rosig aus, eine 'Jahreszeit des Lichts', wie Charles Dickens sagen würde. Wir haben den Wert, den wir für unsere Kunden und ihre Märkte schaffen, erfolgreich neu definiert. Unser Wachstumspotenzial ist real und wir haben - manchmal auf die harte Tour - gelernt, was von uns erwartet wird: Starke Plattformen, die für die Kunden unserer Kunden den Unterschied ausmachen, kontinuierliche Innovation und natürlich eine solide Umsetzung mit Fokus auf Qualität, Kosten und Ergebnis."

Der Kunde im Mittelpunkt

Wenn es in Fab 1 darum ging, ein gemeinsames Ziel zu erreichen, so ist es eine Welt weiter in der Fab 7 von GF in Singapur das Hauptziel, die Kunden zufrieden zu stellen und solide finanzielle Erträge zu erzielen. Das sagt Peter Benyon, Vice President und General Manager von Fab 7. Peter Benyon, der seit 20 Jahren zu gleichen Teilen bei GF und Chartered Semiconductor beschäftigt ist, wurde kürzlich mit Wirkung zum 1. Juli zum Vice President und General Manager von Fab 8 in Malta, NY, ernannt.

Die Fabriken von GF in Singapur bieten eine Reihe von ausgereiften 200- und 300-mm-Prozessen und werden bald auch die 8SW-Technologie von GF für HF-Anwendungen anbieten, die von der Fabrik 10 in East Fishkill, NY, dorthin verlegt wird. Die Fabrik 10 wird an ON Semiconductor verkauft. (Die in East Fishkill ansässige 45RFSOI- und Silizium-Photonik-Technologie von GF wird nach Malta verlagert).

Von Anfang an haben die Mitarbeiter in Singapur einen starken Kundenfokus und eine "First-Time-Right"-Mentalität in der Fertigung, die sowohl zur Kundenzufriedenheit als auch zu guten Margen für GF geführt hat.

GF's "Eröffnungstag" in Singapur

"Wir waren von Anfang an foundry und haben uns immer stark auf den Kunden konzentriert, denn wenn es um ausgereifte Technologien geht, sind die Preise und andere Leistungen, die von konkurrierenden Foundries angeboten werden, in der Regel gleich hoch. Daher lautet die Frage, die sich der Kunde stellt, immer: "Warum sollte ich zu Ihnen kommen?" sagte Peter.

"Unsere Antwort darauf ist, dass wir uns auf ihre Bedürfnisse konzentrieren, indem wir ihrer Arbeit je nach Bedarf Vorrang einräumen, Flexibilität bieten, die unsere Konkurrenten normalerweise nicht haben, und das tun, was wir versprechen. Infolgedessen haben wir viele starke, langjährige und für beide Seiten vorteilhafte Beziehungen aufgebaut", sagte er.

Foundry Files fragte, wie man diese Einstellung im gesamten Unternehmen durchsetzen könne. "Es wäre falsch, zu versuchen, dies zu erreichen, indem man anderen GF-Standorten eine Kultur aufzwingt. Das ist schon einmal versucht worden und hat nicht funktioniert. Aber die Kundenbedürfnisse immer und überall in den Vordergrund zu stellen, muss Teil unserer DNA sein", sagte er.

Peter wird diese Herausforderung in seiner neuen Rolle in Fab 8 annehmen, wo seine Kundenorientierung und seine bewährte operative Kompetenz die Fähigkeit von GF verbessern werden, einen schnell wachsenden Kundenstamm zu bedienen, und einen Wettbewerbsvorteil über die Weltklasse-Technologien der Fabrik hinaus bieten werden.

Mit Freude neue Wege der Innovation beschreiten

"Innovation ist das, was unsere Mitarbeiter begeistert, aber Skalierung ist nicht die einzige Art von Innovation. Für Menschen, die neue und einzigartige Dinge tun wollen, gibt es unendlich viele Möglichkeiten. Die Silizium-Photonik ist ein Beispiel dafür. Heute ist es ein kleiner Markt. Aber morgen kann er schon sehr groß sein, und wir helfen dabei, ihn zu definieren", sagte Neil Peruffo.

Neil ist Vice President und General Manager von Fab 10 in East Fishkill. Er ist seit mehr als 30 Jahren bei IBM und GF in den Bereichen Technologieentwicklung, Charakterisierung und Implementierung tätig.

GF erwirbt IBM Microelectronics-Fabrik in East Fishkill, NY im Juli 2015

IBM blickt auf eine lange und illustre Geschichte in der Halbleiterbranche zurück, mit einer Liste bemerkenswerter Errungenschaften und Persönlichkeiten, die hier nicht alle genannt werden können. Da der Schwerpunkt der Halbleitertätigkeit jedoch auf der Unterstützung des Mainframe- und Servergeschäfts von IBM lag, gab es innerhalb der Chipabteilung des Unternehmens Bedenken wegen eines "enger werdenden Korridors der Anwendbarkeit", wie Neil es ausdrückt, für seine fortschrittlichste und teuerste Technologie.

Als GF 2015 die Übernahme des Halbleitergeschäfts von IBM ankündigte, habe sich die Besorgnis in Begeisterung gewandelt, weil sich dadurch neue Horizonte eröffneten.

"Selbst als wir die fortschrittliche 14-nm-SOI-Technologie für IBM-Server einführten, sahen wir, dass die Auslastung unserer Fabrik zurückging, und obwohl wir wussten, dass wir zum Kerngeschäft von IBM gehören, war klar, dass das Kerngeschäft weniger Silizium benötigt", sagte er. "Wir erkannten, dass unser Überleben davon abhing, in Bereiche wie RF und Silizium-Photonik zu expandieren, um den Auslastungstrend umzukehren. Also haben wir einen eigenen Pivot vollzogen, um genau das zu tun, noch bevor der GF Corporate Pivot stattfand."

Neil sagte, dass sich viele Teammitglieder nach der Übernahme stolz und erleichtert fühlten. Sie waren der Meinung, dass die Zugehörigkeit zu einem reinen Halbleiterunternehmen ( foundry ) es ihnen ermöglicht, ihre Karriere in der Halbleiterindustrie fortzusetzen und gleichzeitig neue Wachstumsmöglichkeiten zu schaffen.

Aber wie sieht es jetzt aus, wo GF sich von der Skalierung weg und hin zu differenzierten und derivativen Technologien bewegt? "Wenn man skaliert, ist es einfach zu sehen, was als nächstes kommt, weil es eine Roadmap gibt und man im Grunde weiss, was die nächsten Schritte sein werden. Auf dem Weg der Differenzierung, den GF beschreitet, müssen wir jedoch unseren eigenen Weg nach vorne finden, was bedeutet, dass eine gewisse Unsicherheit besteht und wir anders darüber nachdenken müssen, was Innovation bedeutet", sagte er.

"Was wird aus der KI? Was ist mit dem IoT? 5G? Wir müssen über die Skalierungs-Roadmap hinaus denken, denn es gibt einfach keine Roadmap für die Entwicklung von Lösungen in diesen verschiedenen Bereichen. Für unsere Mitarbeiter, die von Natur aus neugierig sind, die sich für Technologie begeistern und die neue und einzigartige Dinge tun wollen, bietet die Zukunft große Chancen."

In der nächsten Folge dieser Serie erzählt Gregg Bartlett, Senior VP of Strategy & Asset Management von GF, dem Journalisten Dave Lammers von den Höhen, Tiefen und unerwarteten Wendungen, die die Unternehmensstrategie von GF im Laufe der Jahre genommen hat.

Über den Autor

von: Martin Mason

Ein greifbares Ergebnis dieses Engagements ist unsere 22-nm-FD-SOI (22FDX®)-Embedded-MRAM-Technologie für nichtflüchtige Speicher (NVM), die bei mehreren großen IoT-Kunden in die Pilotproduktion gegangen ist.

Die eingebettete STT-MRAM-Technologie (spin-transfer torque magnetoresistive RAM), die in Zusammenarbeit mit Everspin Technologies, Inc. zielt auf IoT, Allzweck-Mikrocontroller, Automotive, Edge AI und andere Anwendungen ab, bei denen ein stromsparender Betrieb und eine schnelle, robuste, nichtflüchtige Code- und Datenspeicherung eine wichtige Voraussetzung sind.

Die eMRAM-Technologie von GF ist einzigartig, da es sich um eine robuste MRAM-Lösung handelt, die als hochvolumiger Ersatz für Embedded Flash (eFlash) entwickelt wurde. Sie hat strenge Produktionstests unter realen Bedingungen bestanden und ermöglicht eine dauerhafte Datenspeicherung und Ausdauer bei hohen Temperaturen. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Mikrocontroller-Anwendungen und drahtlos vernetzte IoT-Geräte, bei denen der eingebettete Speicher Code und Daten bei hohen Temperaturen beibehalten muss, einschließlich des Reflow-Lötens bei 260 °C während der Leiterplattenmontage. Er bietet außerdem um eine Größenordnung schnellere Lösch- und (Wieder-)Schreibgeschwindigkeiten als eFlash (200 Nanosekunden gegenüber 10 Mikrosekunden), bei vergleichbaren Lesegeschwindigkeiten, was in vielen Anwendungen einen Leistungsvorteil gegenüber eFlash bedeutet.

Obwohl zunächst der energieeffiziente 22FDX-Prozess von GF zum Einsatz kommt, wird MRAM in "Back-End-of-Line"-Metallisierung eingesetzt, was eine robuste Roadmap mit geplanten Derivaten sowohl auf FDX™- als auch auf GFs FinFET-Technologie ermöglicht. Das liegt daran, dass STT-MRAM als Speichertechnologie Prozessvariationen zulässt, die zur Abstimmung der Speicher-Bitzelle genutzt werden können. Dementsprechend gehen wir davon aus, dass wir zwei "Geschmacksrichtungen" von eMRAM anbieten werden: eMRAM-F auf 22FDX für die Code-/Datenspeicherung im Moment und eMRAM-S als Arbeitsspeicher, um SRAM auf 1x-Knoten in der Zukunft zu ergänzen.

GF betreibt derzeit Multi-Projekt-Wafer (MPWs) mit 22FDX-basierten eMRAM-F-Designs für mehrere Kunden, und in den nächsten drei Quartalen sind mehrere Produktions-Tape-outs geplant. Kundenspezifische Design-Services sind bei GF und unseren Design-Partnern erhältlich, und Design-Kits für den 22FDX eMRAM-Prozess sind mit Makro-Dichten von 4 MB bis 32 MB für einzelne Makros verfügbar. Ein 48-MB-Makro soll ebenfalls in 4Q19 auf den Markt kommen.

Die Industrie befindet sich in einer Übergangsphase

Das große Interesse an alternativen eingebetteten NVM-Technologien ist darauf zurückzuführen, dass sich die Branche derzeit in einer Übergangsphase befindet: Der 28-nm-Knoten ist möglicherweise der letzte kosteneffiziente Knoten für eFlash, und der Übergang zu 22-nm-Geometrien macht es zwingend erforderlich, eine Alternative zu finden, die für neue und schnell wachsende Low-Power-Anwendungen geeignet ist.

Viele neue eNVM-Speichertechnologien sehen interessant aus, sind aber noch nicht produktionsreif. RRAM (Resistive RAM) zum Beispiel, das Daten durch Änderung des elektrischen Widerstands eines Dielektrikums speichert, ist Gegenstand zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, aber seine Reife auf 2xnm-Prozessknoten schränkt seine Einführung ein. Ebenso wird die Einführung von PCM-Speicher durch die fehlende Unterstützung von foundry unterhalb von 28nm begrenzt.

Im Gegensatz dazu ist eMRAM von GF eine besonders überzeugende und zeitgemäße Lösung. Obwohl die Technologie komplex ist und einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung und den Einsatz erfordert hat, bietet sie eine enorme Leistung und Vielseitigkeit. Neben den Leistungsvorteilen, die sich aus der Kombination des stromsparenden FDX-Silizium-auf-Isolator-Verfahrens mit eMRAM ergeben, verfügt das FDX-Verfahren von GF auch über branchenführende RF-Konnektivitätsfähigkeiten, und es ist umfangreiches IP von GF verfügbar. Dies alles ermöglicht die Bereitstellung einer einzigartigen Lösung mit hoher Leistung, hoher Integration, geringem Stromverbrauch und geringer Größe, die den Kunden einen enormen Mehrwert bietet.

Mit dem 22-nm-eMRAM-Produkt befindet sich GF bereits in der dritten Generation der MRAM-Technologie und hat im Rahmen einer gemeinsamen Entwicklungsarbeit auch die eigenständigen 256-Mb-40-nm- und 1-Gb-28-nm-MRAM-Produkte von Everspin hergestellt.

Neben der eMRAM-Technologie bietet GF seinen Kunden auch eingebettete eFlash- und System-in-Package-Flash-Speicher (SIP-Flash) an, die in verschiedenen Technologien von 130 nm bis 28 nm gefertigt werden, um eine breite Palette von Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Eine erfolgreiche Strategie

Die Einführung der 22FDX eMRAM-Technologie ist ein Beleg für den Erfolg der Bemühungen von GF, verstärkt in Bereiche zu investieren, in denen wir uns klar von unseren Mitbewerbern abheben und in denen wir für unsere Kunden einen großen Mehrwert schaffen können.

Über den Autor

Martin Maurer

Martin Mason ist Senior Director des Bereichs Leading-Edge eNVM bei GLOBALFOUNDRIES. Vor seinem Eintritt in das Unternehmen war er bei Maxim Integrated Products als Executive Director für Core Products und Precision Conversion Solutions tätig. Davor arbeitete er in den Bereichen Produktmarketing und Design/Application Engineering bei Atmel, Actel, Concurrent Logic und GEC Plessey Semiconductors. Er ist Absolvent der Universität von Newcastle upon Tyne in England.