Was hat ein Halbleiterchip auf der Internationalen Raumstation mit einem Chip in Ihrem Telefon oder Auto gemeinsam? Sicherheit, Zuverlässigkeit und GlobalFoundries (GF).

GF ist die modernste foundry den Vereinigten Staaten und verfügt über die Kapazitäten und Zulassungen zur Herstellung hochsensibler Chips für den Einsatz in Verteidigungssystemen zu Lande, zu Wasser, in der Luft und im Weltraum. Viele dieser Chips sowie zahlreiche Chips, die wir für andere Kunden aus verschiedenen Branchen herstellen, basieren auf der 12LP-Plattform von GF. Diese Technologie wurde speziell entwickelt, um hohe Leistung und power für anspruchsvolle Anwendungen zu gewährleisten.

Die Raumfahrt gilt zweifellos als anspruchsvoller Anwendungsbereich. Tatsächlich ist der Weltraum die extremste Umgebung überhaupt. Die niedrigen Temperaturen und die Schwankungen der Strahlung im Weltraum können leicht dazu führen, dass elektronische Bauteile ausfallen und ihren Dienst einstellen. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Manchmal trifft Strahlung auf den Chip und verursacht einen sogenannten „Single Event Upset“. In anderen Fällen versagen Chips aufgrund der langfristigen „Gesamtionisationsdosis“, die sich auf dem Chip ansammelt.

Zurück also zur Frage in der Überschrift: Wenn ein Chip im Weltraum ausfällt, wie ersetzt man ihn? Gar nicht. Deshalb ist es entscheidend, dass diese Chips zuverlässig und sicher sind und den rauen Bedingungen im Weltraum standhalten – einschließlich Strahlungseinflüssen und einem breiten Spektrum extremer Temperaturen.

Die lange Reise in den Weltraum

Bei der 12LP-Plattform von GF handelt es sich um eine 3D-FinFET-Technologie, die für zahlreiche Chipdesigns verwendet wird, die jeweils eine breite Palette von Funktionen und Fähigkeiten für unterschiedliche Endanwendungen implementieren. Für Raumfahrtanwendungen wie Satelliten, Systeme der Internationalen Raumstation oder Rover auf dem Mars werden die Chips mit Radiation Hardened by Design (RHBD)-Funktionen angepasst. Diese RHBD-Arbeiten werden von Ökosystempartnern von GF und anderen Unternehmen durchgeführt, die sich auf Halbleiterdesign konzentrieren, sowie von GF-Kunden, die Satelliten und deren Subsysteme herstellen, um sicherzustellen, dass die Chips den rauen Bedingungen im Weltraum standhalten. RHBD führt Techniken wie Design-Redundanz mit räumlicher Positionsbestimmung ein, um sicherzustellen, dass der Chip während der benötigten Zeit nicht ausfällt. Die Zeit, in der ein Chip funktionieren muss, hängt von der Nutzungsdauer ab, z. B. davon, wie weit der Chip in den Weltraum vordringt und wie lange diese Reise dauern wird.

Es gibt von GF hergestellte Chips in Systemen im erdnahen Orbit (LEO), im geosynchronen Orbit (GEO) und im Weltraum. Mehr als 3.000 Satelliten befinden sich derzeit im LEO, während es etwa 5.000 Satelliten weiter draußen im GEO gibt. Je weiter von der Erdoberfläche entfernt, desto härter ist die Umgebung. GF 12LP-Halbleiter mit RHBD sind einer der wenigen Chips, die die strengen Anforderungen für die lange Reise in den Weltraum erfüllen.

Technologien mit doppeltem Verwendungszweck

GF produziert in großen Stückzahlen, um Größenvorteile zu erzielen. Mit anderen Worten: Wir stellen viele Chips desselben Typs auf einmal her - ein Prozess, der viel leichter gesagt als getan ist und Innovation, technisches Know-how und ein Weltklasse-Team von Ingenieuren und Technikern erfordert. Aber es gibt Milliarden mehr KI-Server, Telefone und Autos als Satelliten und Billionen mehr Chips auf der Erde als im Weltraum.

Warum stellt GF also überhaupt Chips für den Weltraum her? Und wie funktioniert das mit HVM?

Wir konzentrieren uns auf so genannte "Dual-Use"-Technologien für den Bedarf unserer Kunden aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigung. GF stellt kleinere Chargen von Chips für Satelliten oder andere Anwendungen her, die andere Unternehmen mit RHBD angepasst haben, um sie weltraumtauglich zu machen. Wir arbeiten auch intensiv mit unseren Kunden und anderen Unternehmen zusammen, um neue Wege zur Anpassung dieser (Vor-RHBD-) Chips zu finden und neue Funktionen hinzuzufügen, die den Anforderungen größerer kommerzieller Märkte wie Smartphones oder Autos entsprechen. Technologien mit doppeltem Verwendungszweck tragen dazu bei, dass die USA über die sichersten und fortschrittlichsten Chips in Satelliten sowie in Autos, Rechenzentren, Mobilfunkmasten und vielen anderen Technologien verfügen, und das bei bester Wirtschaftlichkeit.

Die Flächenleistung jedes Chips lässt sich mit RHBD verbessern, doch sind einige Chips dafür besser geeignet als andere. GF verfügt über mehrere Technologien, die besonders gut mit RHBD zusammenarbeiten – darunter unsere 12LP-, 22FDX- und 45CMOS-Plattformen – und es Kunden ermöglichen, die Leistung, power und die Größe von Chips zu optimieren, um den Anforderungen ihrer spezifischen Anwendungen gerecht zu werden. GF hat viele Partner im Ökosystem, die RHBD einsetzen, um solche Chips zu entwickeln, und einige Kunden nutzen dies und setzen die Technologie ein, um Chips im Weltraum einzusetzen.

Wie ich bereits erwähnt habe, ist GF der fortschrittlichste Halbleiterhersteller foundry in den USA, der über die Fähigkeit und die Zulassung zur Herstellung hochsensibler Chips verfügt, die in vielen missionskritischen Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen der USA zum Einsatz kommen. Die Chips von GF werden unter Anwendung der höchsten Sicherheitsstandards hergestellt. Die Zuverlässigkeit dieser kompromisslosen Chips trägt wiederum dazu bei, dass die Fortschritte der USA in der Raumfahrt sicher sind. Dies gilt auch für die GF 12LP-Chips, die in die unendlichen Weiten des Weltraums geschickt werden, und führt uns zurück zu der ursprünglichen Frage, die wir beantworten wollten:

F: Wie ersetzt man einen Halbleiter im Weltraum?

A: Das müssen Sie nicht. Und wenn Sie GF-Chips verwenden, die für die raue Umgebung und die Herausforderungen des Weltraums entwickelt und hergestellt wurden, werden Sie das auch nicht brauchen.

Dr. Deniz Civay leitet bei GF den Bereich „Harsh Environment“ mit dem Ziel, die sichersten Onshore-Spitzentechnologien für Produkte für die Weltraumforschung und die Verteidigung sicherzustellen. Sie ist stellvertretende Leiterin des Teams für Geschäftsstrategie im Bereich Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung bei GF. Als sie vor 12 Jahren bei GF anfing, arbeitete sie in der Forschung und Entwicklung an der Entwicklung neuartiger Technologien, was zu 10 Patenten und zahlreichen Fachartikeln führte. Sie ist PMP-zertifiziert und hat einen Doktortitel in Polymerwissenschaft und -technik von der University of Massachusetts Amherst.