Von Peter Rabbeni

Auf derEDI CON China 2016, die vom 19. bis 21. April in Peking stattfindet, stehen 80 Vorträge, 30 Workshops und sieben Keynotes auf dem Programm, darunter ein neuer Track zur Silicon-on-Insulator (SOI)-Halbleitertechnologie. Am Dienstag, dem 19. April, werde ich den Hauptvortrag über das Aufkommen von SOI in der HF-/Mikrowellenindustrie halten.

Heutzutage enthalten Smartphones und Tablets Hochfrequenz (HF)-Front-End-Module (FEM), die in der Regel aus Leistungsverstärkern (PAs), Schaltern, abstimmbaren Kondensatoren und Filtern bestehen. Technologien wie Radio Frequency Silicon-on-Insulator (RF SOI) helfen mobilen Geräten bei der Abstimmung und Aufrechterhaltung von Mobilfunksignalen, so dass drahtlose Geräte an immer mehr Orten gleichbleibend starke und klare Verbindungen erhalten.

Der Mobilfunkmarkt bevorzugt weiterhin RF SOI, da es geringe Einfügedämpfung, reduzierte Oberwellen und hohe Linearität über einen breiten Frequenzbereich zu einem kostengünstigen Preis bietet. RF SOI ist eine Win-Win-Technologie, die die Leistung und die Datengeschwindigkeiten in Smartphones und Tablets verbessern kann, und es wird erwartet, dass sie auch im Internet der Dinge eine wichtige Rolle spielen wird.

Für die Hersteller von HF-Chips bringt es die Vorteile des Siliziumdesigns und der Integration in das HF-Frontend und ist eine kostengünstige Alternative zu anderen teuren Technologien, die nicht über die Größenordnung und Integrationsfähigkeit verfügen, die RF SOI für HF-Frontend-Modullösungen bieten kann. Und für Designer bietet RF SOI Design-Flexibilität durch die Integration mehrerer RF-Komponenten auf einem einzigen Chip, ohne dass wertvoller Platz auf der Leiterplatte verloren geht.

Diese Integration ermöglicht eine geringere Anzahl von Chips und eine kleinere Grundfläche für mobile Anwendungen, so dass die Hersteller von Mobilfunkgeräten weniger komplexe Funkgeräte mit den fortschrittlichen Funktionen entwickeln können, die ihre Kunden erwarten. Mobile Geräte, die RF SOI-Technologien für RF-Frontend-Anwendungen nutzen, profitieren von der gleichen oder besseren Linearität und Einfügedämpfung im Vergleich zu konkurrierenden Technologien, was sich in einer längeren Akkulaufzeit, weniger Gesprächsabbrüchen und höheren Datengeschwindigkeiten niederschlägt.

Eine weitere gute Nachricht für RF-Marktteilnehmer: Technologien wie FD-SOI haben einzigartige Eigenschaften und Fähigkeiten, die RF-Schaltungsinnovationen ermöglichen und Integrationsniveaus erreichen können, die es bei siliziumbasierten Technologien noch nie gegeben hat. Der Schlüssel dazu ist die Ausnutzung der Niederspannungsbetriebsfähigkeit und der Well-Bias-Merkmale von FDSOI. Die dynamische Steuerung von Vdd und die Verwendung von Well-Bias-Techniken können nicht nur zur Senkung des Gesamtstromverbrauchs beitragen, sondern auch als Mittel zur Optimierung des HF-Schaltungsbetriebs eingesetzt werden. Dies ist etwas, das bei Bulk-Technologien nicht so einfach möglich ist.

Ein weiterer Vorteil bei der Entwicklung eines komplexen SoC ist die Möglichkeit, mehrere Funktionen zu integrieren, was zu einem kleineren Formfaktor und einem einfacheren Gehäuse führt, das wesentlich kostengünstiger und in Bezug auf den Stromverbrauch effizienter für IoT-Anwendungen ist, was absolut notwendig ist, um die wirtschaftlichen Anforderungen dieses Marktes zu erfüllen und mit den sich entwickelnden Netzwerkherausforderungen Schritt zu halten. Obwohl aufkommende Standards wie 5G noch einige Jahre entfernt sind, sehen wir bereits jetzt ein Interesse an den Vorteilen, die Technologien wie FDSOI/RFSOI bei der Bewältigung der Herausforderungen von Systemen bringen können, die hohe Geschwindigkeiten/Bandbreiten bei geringem Stromverbrauch liefern müssen.

Es besteht kein Zweifel, dass die Nachfrage nach unseren Netzen weiter steigen wird. Mehr denn je kommt es jetzt auf die zugrundeliegenden Kommunikationsnetze an, und der Bedarf an Geschwindigkeit ist unmittelbar. Die mobile Welt ruft, und es ist an der Zeit, dass Gerätehersteller und Komponentendesigner von der Designflexibilität, der Ermöglichung und Versorgung (Kapazitätssicherung) profitieren, die RF SOI bietet.

Von Dave Lammers

Wir freuen uns, heute eine neue Serie auf Foundry Files zu starten, mit Kommentaren von David Lammers, einem erfahrenen Reporter, der für Associated Press, EE Times, Semiconductor International und derzeit als freiberuflicher Journalist für verschiedene Industriepublikationen arbeitet.

Ich kann mir kein interessanteres Thema für den Beginn dieser Blogserie vorstellen als die Pläne von GLOBALFOUNDRIES für Automobil-ICs. Die Autos von morgen benötigen drei Technologien: viel schnellere Prozessoren auf der Basis von 22nm SOI, eingebettete MRAM-Speicher und 5G-Mobilfunkkommunikation.

Jede dieser drei Veränderungen - FD-SOI, MRAM und 5G - sollte ausreichen, um das Blut schneller in Wallung zu bringen, aber sie zusammenzubringen ist eine ebenso große Geschichte wie die stromsparenden Anwendungsprozessoren, die aus der Smartphone-Revolution vor 20 Jahren hervorgingen.

Und das ist auch dringend nötig, denn eine ultraschnelle Bildverarbeitung ist für die Einführung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS) unerlässlich. Nach 2020 werden Autos mit bis zu fünf Kameras pro Fahrzeug ausgestattet sein, und die Bildverarbeitungssysteme müssen schnell genug sein, um auf alles, was sich dem Auto in den Weg stellt, sofort zu reagieren.

Beginnen wir mit den Argumenten, warum sich GF für FD-SOI am 22-nm-Knoten für MCUs für den Einsatz im Automobilbereich entschieden hat.

FD-SOI zeichnet sich in zwei Bereichen aus: Da Leckströme durch die vergrabene Oxidschicht unterdrückt werden, ist der Stromverbrauch begrenzt, was die Einhaltung der Temperaturanforderungen von MCUs für die Automobilindustrie erleichtert. Zweitens bietet FD-SOI Vorteile für Hochfrequenzschaltungen in Bezug auf Linearität und Einfügedämpfung.

Jeff Darrow, Automotive Marketing Director bei GF, weist darauf hin, dass MCUs für Automobile bei 125-150 Grad Celsius Umgebungstemperatur zuverlässig arbeiten müssen, wobei die Sperrschichttemperaturen sogar noch höher liegen können. Bei MCUs für die Automobilindustrie, die in einer 55-nm-Bulk-Siliziumtechnologie gefertigt werden, machen Leckagen bereits 30 Prozent des gesamten Stromverbrauchs aus.

"Bei Bulk-CMOS steigt die Leckage exponentiell mit der Temperatur. Bei 55nm mussten wir mit 30 Prozent Leckage leben, aber dieser Trend war nicht haltbar. Wir sehen, dass 22nm FD-SOI sowohl den niedrigen Stromverbrauch von FDSOI als auch die digitale Schrumpfung der 22nm-Technologie bietet", so Darrow.

Und ja, die stark verbesserte Leckage von High-k-Dielektrika wird auch für alle automobilen Technologielösungen bei 28nm oder 22nm erforderlich sein. GF ist davon überzeugt, dass die Verwendung eines High-k-Fertigungsablaufs, bei dem das Gate zuerst hergestellt wird, Vorteile für Automobil-ICs bringt, verglichen mit dem Ansatz anderer Foundries, bei dem das Gate ersetzt oder zuletzt hergestellt wird.

"Wenn unsere Konkurrenten versuchen, einen eingebetteten Flash-Speicher mit einem Gate-Last-High-K zu integrieren, ist die Produktionsimplementierung unserer Analyse nach außerordentlich schwierig. Die Ausbeute wäre horrend, nach unserer Einschätzung weniger als 50 Prozent", so Darrow.

GF kündigte seine planare 22-nm-FD-SOI-Technologie im Juli 2015 unter dem Namen 22FDX® an, und Darrow betont: "22FDX ist ein Kernstück unserer Automobilstrategie."

Abgesehen von den Infotainment-Systemen im Fahrzeuginnenraum, die eine eigene Kategorie bilden, entfällt die überwiegende Mehrheit der von Zulieferern wie Bosch, Continental, Delphi und Denso hergestellten Produkte auf Antriebs-, Karosserie- und Sicherheitssysteme.

"Was wir tun, ist von entscheidender Bedeutung für die Branche, und unsere Kunden verlassen sich voll und ganz auf uns", so Darrow. Aufgrund der Erfahrung von GF bei der Herstellung von SOI-basierten Prozessoren für AMD und andere Unternehmen verfügt das Unternehmen über einen Wissensvorsprung bei der SOI-Fertigung. Die Tatsache, dass GF über eine große Produktionsstätte im erdbebensicheren Dresden verfügt, ist ebenfalls ein großer Vorteil, insbesondere für die deutschen Automobilhersteller, fügte er hinzu.

Ersetzen von e-Flash

Neue Speicher sind auch für künftige Automobilprozessoren unerlässlich. Heute verfügt eine typische MCU für Kraftfahrzeuge über 2 MB eingebetteten Flash-Speicher, und High-End-Lösungen können bis zu 10 MB an Bord haben. Der Speicher funktioniert am besten, wenn er auf dem Prozessorchip eingebettet ist, zum einen, um sofortige Reaktionszeiten zu ermöglichen, und zum anderen, um ihn vor Hochfrequenz- und anderen Strahlungsemissionen zu schützen.

Eingebetteter Flash-Speicher wird auch in Zukunft weit verbreitet sein, selbst wenn die SOC-Entwickler zunehmend auf neue Speichertechnologien zurückgreifen. Die Zuverlässigkeit von Flash ist zwar bewiesen, aber die Herstellung ist kostspielig, da etwa ein Dutzend zusätzlicher Maskenschichten erforderlich sind. Bei GF wird E-Flash auf den 28-nm-Knoten ausgeweitet, aber darüber hinaus setzt foundry auf magnetisch-resistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) für eingebettete Prozessoren, die für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Automobilindustrie, hergestellt werden.

Dave Eggleston, Vice President of Embedded Memory bei GF, merkt an, dass die Halbleiterindustrie "auf eine lange Erfahrung mit E-Flash zurückblicken kann; es bewahrt Daten auch in sehr rauen Umgebungen. Eine unserer Kernaussagen ist jedoch, dass wir glauben, dass die Skalierung von E-Flash unter 28 Nanometern aufhören wird. Sie wird bis 28 Nanometer weitergehen, aber unterhalb von 28 Nanometern brauchen wir eine neue Lösung, und wir glauben, dass sich die Branche um MRAM schart".

Angefangen bei IoT-Lösungen bis hin zu Speicher- und Datenverarbeitungslösungen wird MRAM bereits von wichtigen Automobilzulieferern eingesetzt, die seine Energieeffizienz und Kostenvorteile schätzen. Und während E-Flash in der Regel höhere Spannungen zum Schreiben von Informationen benötigt, ist dies bei MRAM nicht der Fall.

GF arbeitet seit langem mit dem MRAM-Technologielieferanten Everspin Technologies (Chandler, Ariz.) zusammen, und die Partner haben sich auf eine MRAM-Version mit senkrechtem Spin-Torque geeinigt, die einen wesentlich besseren Stromverbrauch und eine höhere Schreibgeschwindigkeit als frühere MRAM-Bitzellen aufweist.

"MRAM ist eine große Umstellung. Aber für uns ist das kein Fragezeichen. Wir haben unsere Wette abgeschlossen. Wir wissen, was die nächste eingebettete Speichertechnologie ist, und wir klären unsere Kunden darüber auf, wie diese Technologie ihre Systeme verbessert", so Eggleston.

Die Kosteneffizienz von MRAM ergibt sich aus der Tatsache, dass es innerhalb der Back-End-of-the-Line (BEOL)-Verbindungsschichten des Chips eingebaut werden kann. Während neue Abscheidungs- und Ätztechniken perfektioniert werden, um den komplexen Materialstapel des magnetischen Tunnelübergangs zu bewältigen, kann laut Eggleston MRAM mit nur drei zusätzlichen Maskenschichten hinzugefügt werden.

Die Bedeutung von 5G

Erst in den letzten Jahren hat sich die Verbindung zwischen Autos und RF - von Bluetooth in der Fahrerkabine bis zum Kfz-Radar, das dem Fahrer hilft, sicher die Spur zu wechseln - durchgesetzt.

Peter Rabbeni, Senior Director of RF Business Development bei GF, sagte, dass der 5G-Mobilfunkstandard mit Blick auf Automobilanwendungen entwickelt wurde, insbesondere auf die Notwendigkeit, die Umgebung des Fahrzeugs mit Latenzzeiten im Bereich einer Millisekunde zu "sehen".

"Um autonome Fahrzeuge Realität werden zu lassen, bedarf es ziemlich ausgeklügelter Kommunikationssysteme", sagte Rabbeni kurz nach seiner Rückkehr vom Mobile World Congress 2016, der Ende Februar in Barcelona (Spanien) stattfand. Der 5G-Standard, der in Barcelona im Mittelpunkt der Diskussion stand, soll "eine viel höhere Bandbreite, viel kürzere Latenzen und Unterstützung für mehrere gleichzeitige Nutzer" bieten, fügte er hinzu.

Damit ein System zur Unfallvermeidung die richtigen Entscheidungen treffen kann, sind sehr hohe Datenraten und viel größere Bandbreiten erforderlich. In nicht allzu ferner Zukunft werden Fahrzeuge "viele Daten übertragen und sehr schnell auf diese Daten reagieren, was sehr niedrige Latenzzeiten voraussetzt", sagte er.

Entfernungsmessung und Objekterkennung auf allen Seiten eines Fahrzeugs sind das Herzstück von Fahrerassistenzsystemen. Die ADAS-Systeme erfordern, wie Rabbeni es nennt, "eine Ausweitung über 6 GHz hinaus auf das Millimeterwellenradar, das das Militär schon seit vielen Jahren einsetzt".

Schnellere Datenübertragungsraten hängen von mehr Funkgeräten und mehr digitaler Signalverarbeitung ab, was eine Skalierung der Linienbreite erforderlich macht. Rabbeni argumentiert, dass der Stromverbrauch von MCUs für Kraftfahrzeuge mit integriertem RF einen Vorteil von FD-SOI darstellt. Wir können die Back-Gate-Biasing-Technologie nutzen, um das Verhältnis von Leistung und Stromverbrauch zu optimieren".

Quelle: GLOBALFOUNDRIES

FD-SOI Body-Biasing ermöglicht Leistungs-/Leistungsabgleich und Abstimmung von RF/Analog-Parametern

Damit ADAS funktioniert, so Rabbeni, "brauchen wir komplexere Funkgeräte, um eine höhere Leistung zu erzielen. Wir arbeiten sehr hart an der Entwicklung einer neuen Generation von Angeboten mit höherer Linearität, geringerer Einfügedämpfung und besseren Oberwellen, die alle zu einer Leistungskennzahl für ein bestimmtes Funkgerät beitragen.

Mit der Übernahme der Mikroelektroniksparte von IBM (die im Wesentlichen die Märkte für HF-SOI und SiGe geschaffen hat) erwarb GF Know-how und Fertigungskapazitäten für die Segmente HF-SOI-basierte Schalter und Antennenabstimmung. Außerdem erwarb es eine Silizium-Germanium-Technologie, die in Wi-Fi-Leistungsverstärkern, drahtlosen Mikrowellen-Backhaul- und Kfz-Radar-Frontend-Lösungen weit verbreitet ist.

Aufgrund des Wachstums im Bereich der drahtlosen Kommunikation steigt die Nachfrage nach RF-Technologien von GF weiter an, und das Unternehmen investiert in zusätzliche Kapazitäten, um die steigende Nachfrage nach seinen Technologien zu befriedigen. Während die RF-SOI-Technologien in Burlington, VT und Singapur hergestellt werden, werden die 22-nm-FD-SOI-Produkte in Dresden gefertigt.

"Wir arbeiten aktiv an fortgeschrittenen RF-SOI-Knoten für die nächste Generation von Systemen, einschließlich 45nm und 22nm. Die 22-nm-FD-SOI-Plattform wurde von Anfang an mit Blick auf RF konzipiert und Produkte mit eingebetteten RF wurden bereits entwickelt. Teststrukturen wurden modelliert und gemessen, um die Prozessentwicklungskits (PDKs) weiter zu verbessern, damit die Kunden zuverlässig damit entwickeln können", sagte Rabbeni. "Wir haben Modelle von fokussierten RF-Blöcken, Schaltern und PLLs, um zu beweisen, wie die Technologie eingesetzt werden kann. Wir sind von dieser Technologie sehr begeistert und werden sie weiter vorantreiben."