Halbleiter 09.03.2001, 17:28 Uhr

Mehr Leistung aus weniger Energie

Heutige Chips sind wahre Energiefresser, verglichen mit dem, was für hochintegrierte Endgeräte der Zukunft an sparsamem Umgang mit Energie benötigt wird. Und auch die Hochfrequenztechnik hat noch ihre Tücken.

Drahtlose Techniken der nächsten Internet-Generation bringen große Herausforderungen auf der Chip- und Bauelementeebene. Welche, das verdeutlichte jüngst ein Seminar auf dem International Electron Devices Meeting (IEDM) in San Francisco. Mit Anantha Chandrakasan vom MIT in Cambridge (Massachusetts) ging es da schnell zur Sache. Der noch junge, aber schon vielfach ausgezeichnete Associate Professor am Lehrstuhl für Elektrotechnik und Computerwissenschaften machte auf einen der Schwachpunkte aufmerksam, der gerade bei künftigen Anwendungen eine große Rolle spielen wird: Der zu hohe spezifische Energieverbrauch heutiger Schaltungen. Künftige mobile Anwendungen wie integrierte PDA (Personal Digital Assistent), die z.B. in Armbanduhren eingebaut werden, müssen einen viel kleineren Stromverbrauch aufweisen, wenn die Integration gelingen soll.
„Formfaktor, geringe Abmessungen, Energieverbrauch und niedrige Kosten sind die Schlüsselgrößen für alle künftigen Internet-Anwendungen“ – so seine These. Und das sei in dieser Kombination nur zu erreichen, wenn eine Integration unterschiedlicher Prozesstechnologien auf einem Chip gelinge. Während z.B. gängige Prozessoren pro Operation heute einen Energieverbrauch von etwa 1 bis 10 pJ haben, müssten integrierte Prozessoren auf einem SoC (System on Chip) mit 1 nJ auskommen – eine gewaltige Herausforderung für die Entwickler. Und während die Betriebsspannung von gängigen 3,5 V auf etwa 1 V sinkt, steigen die abverlangten Prozessorleistungen an – von etwa 40 W heute auf bis zu 150 W in Zukunft. Da stellt sich dann die Frage, wie man verhindern will, dass diese Chips den Wärmetod sterben.
Chandrakasan hat ein Rezept, das zumindest Ansatzpunkte erkennen lässt: Es wird viel zu viel Overheadleistung mitgeschleppt, die durch die Verdrahtung und die Steuerung der Funktion verursacht wird. Allein der Verdrahtung wird rund 2/3 aller Verlustleistung auf den Chips zugerechnet. Die „Energieeffizienz pro Operation“ (wie er es nennt) liegt bei weit unter 1 %! Und nicht nur die schlechte Energiebilanz spricht nicht gerade für eine weitere Nutzung der heutigen Bausteine: Die zunehmenden Laufzeiten auf den immer größer werdenden Chips werden den gängigen Entwurfstechniken bald ein Ende setzen.
Den technischen Ausweg aus der Klemme sieht Chandrakasan in rekonfigurierbaren Bausteinen, die eine Verarbeitung Bit für Bit zulassen. Digitale Signalprozessoren (DSP) mit sehr niedrigem Energieverbrauch kommen zwar als Einzelblock nicht mehr auf die erwarteten Verarbeitungsleistungen, aber durch Parallelverarbeitung wird man sie weit über die heutigen Grenzen hinaus beanspruchen können.
Und dann wird man nach den kritischen Signalpfaden auf den Chips suchen müssen: Alle Gatter, die in diesem Pfad liegen, müssen wegen der geforderten Signalverarbeitung mit höherer Spannung betrieben werden. Alles, was nicht dazu gehört, kann man mit niedriger Versorgungsspannung betreiben – oder ganz abschalten, wenn die Funktion aktuell nicht benötigt wird. Das senkt den Energieverbrauch und hat auch schon eine Namen: „Clustered Voltage Scaling“-Struktur (CVS). Designstudien haben Energieeinsparungen von 25 % auf Chipebene ergeben.
Weitere Energieeinsparung muss aus der Signalverarbeitung selbst kommen: Da im zeitlichen Ablauf nicht ständig die volle Verarbeitungsleistung gefragt ist, da die ankommenden Signale normalerweise nicht gleichmäßig verteilt sind, kann man die Verarbeitung dem Bedarf anpassen.
Eine weitere Verlustquelle in den Chips sind die mehr oder minder großen, aber unvermeidlichen Leckströme. Insbesondere bei selten benötigten Schaltkreisteilen summieren sich diese Leckströme über die Zeit zu spürbaren Beträgen. Das trifft insbesondere dann zu, wenn die Versorgungsspannung zurückgeht: Dann wirken sich Leckagen viel stärker aus. Das trifft z.B. auch „schlafende“ Transistoren, die nicht aktiv an einer Verarbeitungskette beteiligt sind, aber jederzeit aktiviert werden können.
Auf der Systemebene kann die Energieeinsparung dann noch weiter gehen: An Hand von Gebrauchsstatistiken des fraglichen Geräts kann man selektive Abschaltungen von Systemteilen vornehmen, die nur selten benötigt werden. Sie stören möglicherweise nicht den Ablauf der Gesamtfunktion, wenn man dies auf den Nutzer abstellt. Das gilt auch für selbst kurzzeitiges Abschalten von Festplattenlaufwerken nach dem Schreib-/Lesevorgang. Gerade hier stecken noch große Energiereserven.
Joachim Burghartz vom DIMES der Universität Delft (Niederlande) Burghartz hatte eine erfreuliche Nachricht für die Zuhörer des IEDM-Seminars: Im Großen und Ganzen sind die Leitungsdaten heutiger Hochfrequenz-Bauelemente auch für die nächste Generation ausreichend.
Aber statt der Hochfrequenz-inhärenten Probleme treten andere auf. Die für HF-Schaltungen benötigten integrierten passiven Bauelemente können in ihren Qualitätsstandards nur eingeschränkt mit dem Halbleiterbauelementen Schritt halten. Integrierte Induktionsspulen und kleine Transformatoren sind davon besonders betroffen. Es gibt mehrere Methoden, um Induktivitäten zu integrieren: Keine davon erfüllt bisher alle Erwartungen. Die drei wichtigsten Anforderungen widersprechend sich teilweise: Ein Maximum an magnetischer Kopplung, ein Minimum an kapazitiver Kopplung (weil sonst die Bandbreite sinkt) und ein Minimum an Flächenverbrauch. Sogenannte „Stacked Coils“, bei denen die Windungen räumlich überlagert sind, stellen noch den besten Kompromiss dar und liefern auch noch bei 10 GHz brauchbare Ergebnisse.
Und mit zunehmenden Frequenzen kommt parasitären Kapazitäten wachsende Bedeutung zu. Das gilt nicht nur für die Gehäusetechnik der Bauelemente, sondern auch für die Verluste des Substrats. Und so könnten in Zukunft neue Aufbautechnologien eine Rolle spielen, wie Microstrips auf dem Silizium – dünne Leitungen auf der Vorderseite des Chips, die geerdete Gegenstücke in der Tiefe des Siliziums haben. Hier müssen Leitungsbreite und Abstand des geerdeten Streifens in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Mit Flip-Chip-Montage lassen sich die hohen Induktivitäten der Bonddrähte verringern. Auf der anderen Seite aber handelt man sich damit zunehmend Hochfrequenz-Wechselwirkungen zwischen Chip und Leiterplatte ein. DELANO L. KLIPSTEIN.

Von Delano L. Klipstein.
Von Delano L. Klipstein.

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