ISSCC 2003: Leistung zählt

Selbst Gordon Moore glaubt nicht mehr, dass die Halbleiterindustrie ihren Fortschritt noch lange im bisherigen Tempo durchhält: Langsam wird die Luft auf dem Chip-Gipfel dünn. Die Probleme wachsen mit jeder Produktgeneration, Komplexität und Kosten drücken die Firmen an die Wand. Doch gerade dies macht den Weg frei für neuen Optimismus und so gelingen den Chip-Forschern immer wieder neue Durchbrüche.

‘Nichts Exponentielles dauert ewig, aber Ewigkeit kann man verschieben’, so lautete das Motto, mit dem Intel-Mitgründer Gordon Moore die diesjährige International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) in San Francisco eröffnete, die ihren 50sten Geburtstag feierte. Seine Keynote war für die Vertreter der Chip-Branche Ermutigung und Warnung zugleich. Zumindest noch in dieser Dekade wird das von ihm postulierte Gesetz für exponentielle Entwicklung in der Halbleitertechnik - Verdoppelung der Komplexität eines Chips alle 18 bis 24 Monate - weiter gelten. Darüber hinaus sei jedoch so allmählich das Ende der Fahnenstange abzusehen. Was danach kommt, dazu wagte Moore keine Prognose - dafür sorgten auf der anschließenden Konferenz andere.

Im Plauderton erzählte Intels heutiger Ehrenvorsitzender, welche exponentiellen Entwicklungen die Branche geprägt haben, seit er 1965 erstmals festhielt, dass sich die Transistorzahl pro Chip etwa zweijährlich verdoppelt. Damals passten rund 200 Transistoren auf einen Wafer und eine Fertigungsausbeute von zehn Prozent war schon eine gute Leistung, berichtete Moore. Im vergangenen Jahr wurden zum Vergleich weltweit 10¹⁸ Transistoren ausgeliefert - etwa 100-mal mehr als es Ameisen gibt, ulkte er. Die Herstellungskosten der digitalen Schalter seien im gleichen Zeitraum ebenso schnell gesunken. So kommt heute ein Transistor im Durchschnitt so teuer wie ein gedruckter Buchstabe in der New York Times.

Gleichzeitig sei aber auch der Aufwand für Halbleiterlithographie und Fertigungsgeräte drastisch angestiegen, bemerkte Moore. Mit Hilfe der Extremen-UV-Lithographie, Strained-Silicon-Verfahren und neuartigen Trigate-Transistoren werde ‘Moore’s Law’ noch etwa zehn Jahre weiterbestehen können. Die Grenzen des Wachstums seien aber schon zu erahnen: Vor allem der immer ungünstigere Stromverbrauch - insbesondere durch unerwünschte Leckströme - schaffe zunehmend Probleme.

Neue experimentelle Ansätze wie Quantenchips oder DNS-Chips könnten den Halbleitern aber kaum gefährlich werden, glaubt Moore. Auch den Polymer-Chips traut der studierte Chemiker das nicht zu. Das Energieproblem allerdings, so schloss Moore, werde immer drängender und werde der Chipentwicklung Grenzen setzen.

Hauptfeind: Leckströme

Diese Warnung bekräftigte Takayasu Sakurai von der Universität Tokio. Ohne Gegenmaßnahmen werden die parasitären Leckströme den aktiven Stromverbrauch schon bald übertreffen. Noch vor wenigen Jahren spielten Leckströme überhaupt keine Rolle, doch seit 1995 hat sich ihr Anteil mehr als verzehntausendfacht.

Bis zu 25 Prozent der Energie werde schon jetzt in einigen Produktbereichen durch schlechte Wahl der Spannungsschwelle für den Übergang vom inaktiven zum aktiven Zustand verschwendet. Vorausschauende Verbrauchssteuerung in Multimediasystemen durch Software könnte weiterhin eine erhebliche Verbesserung der Energie-Bilanz bewirken, so der Japaner. Spezialisierte Hardware könnte bestimmte Aufgaben viel effizienter bewerkstelligen als universelle Prozessoren. Ein dedizierter MPEG-Decoder etwa erfüllt seine Aufgabe mit knapp zwei Prozent der Leistung einer CPU. Und um genau dieses Argument zu untermauern, stellte Intel-Fellow Shekar Borkar eine Spezialhardware für TCP/IP-Verarbeitung vor, eine so genannte TCP/IP Offload Engine (TOE), die, hergestellt im 90-nm-Prozess und mit 10 GHz betriebenen, nur 1,9 W aufnimmt.

Intel hat noch weitere Trümpfe im Ärmel, um die ungeliebten Leckströme so weit es geht zu vermeiden, nämlich so genannte Schlaf-Transistoren. Das sind zusätzliche Transistoren, die im Ruhezustand einer Einheit den Strom komplett abschalten. Diese brauchen zwar etwas Platz auf dem Die, können aber die Leckströme um bis zu Faktor 13 reduzieren. Hinzu kommt eine bereits im Vorjahr auf der ISSCC vorgestellte (aber noch nicht eingesetzte) Body-Bias-Technik, die die Leckströme mit relativ wenig Aufwand auf die Hälfte verringert.

Bruno Murari vom französisch-italienischen Chipkonzern ST Microelectronics sieht das quantitative Exponentialwachstum jetzt schon nahe am Limit. Bessere Schnittstellen zwischen hochintegrierten digitalen Systemen und ihrer physischen Umgebung müssten die Entwicklung dominieren, meinte Murari. Seiner Meinung nach gehöre die Zukunft dem Analog-Designer.

In Bologna wollen das Forscher der dortigen Universität mit einem Bio-Chip unter Beweis stellen. Zusammen mit der Firma Silicon Biosystems platzieren sie ein ganzes biomedizinisches Mikrolabor auf einem CMOS-Chip, um damit Experimente mit lebenden Zellen sowie die medizinische Diagnose zu erleichtern und zu beschleunigen. Der Chip enthält Sensoren, die auf bestimmte Partikel in Zellgeweben ansprechen und Messwerte weitergeben. Mit dem Chip ist die gleichzeitige Analyse von rund 10 000 Zellen möglich, was langwierige biologische Versuche von mehreren Tagen auf wenige Stunden abkürzt.

Auf dem Weg zur batteriefreien Stromversorgung mobiler Geräte haben Tüftler in Japan und auch hierzulande die Körperwärme als Energiequelle entdeckt. Mikrothermische Module nutzen hierbei die Differenz zur Umgebungstemperatur. Dem japanischen Ingenieurteam des Telecom-Riesen NTT und von Seiko gelang mit winzigen Säulen eines Verbundmetalls aus Wismut-Tellurit der Betrieb eines Kurzstreckenfunksenders im 300-MHz-Bereich, der zirka 1 Milliwatt benötigt.

Bei Infineon arbeitet ein Forscherteam um Stefan Jung mit winzigen Thermogeneratoren aus Silizium, die in Polyester vergossen und in Fasern von Polyesterstoff eingewebt werden. Damit bestückte Kleidungsstücke sind normal trag- und waschbar. Infineon hat bereits Lösungen mit einem integrierten MP3-Player realisiert. Ein weiteres potenzielles Einsatzgebiet sind eingearbeitete RF-Transponder mit Antenne und Identifizierungs-Chip.

Anders als Altmeister Gordon Moore glaubt Infineon an organische Dünnfilmtransistoren als Topkandidaten für die billige Massenfertigung in elektronischen Anwendungen. Die Philips-Labors in Eindhoven haben Prototypen von Aktivmatrix-Displays mit Polymer-basierten Transistoren fertig. Der Hauptvorteil gegenüber den Silzium-TFTs ist die einfachere Herstellung: Sie ist billig und erlaubt durch relativ geringe Prozesstemperatur auch andere Trägermaterialien als Glas. Edzer Huitema stellte ein Exemplar mit 64 mal 64 Pixeln vor, das mit 50 Hertz Bildwiederholfrequenz arbeitet: nach seinen Angaben das bisher größte ‘organische LCD’ und zudem das erste, das je aus einer flüssigen Polymer-Lösung produziert wurde. Das Kontrastverhältnis von 8,6 sei vergleichbar mit Tinte auf Papier, sagte Huitema. Wegen der guten mechanischen Eigenschaften des Polymermaterials hat Philips nun biegsame Trägermedien angepeilt - das elektronische Papier ist nicht mehr weit entfernt.

Chips auf Glas oder als Pulver

Voll auf Glas baut hingegen Flachbildschirmspezialist Sharp bei der Entwicklung mobiler Displays aus Polysilizium-Dünnfilmtransistoren. Genau wie andere LCD-Hersteller wollen die Japaner Prozessoren oder DSPs aus TFT-Transistoren direkt in die ‘intelligenten’ Bildschirme integrieren. Der in San Francisco vorgestellte, etwa handtellergroße Prototyp sei richtungsweisend für eine neue Generation von ‘System on Panel’, sagte Sharp-Mann Buyeol Lee. Aus 13 000 Transistoren formen die Nippon-Tüftler dazu direkt auf dem Glassubstrat gute alte 8-Bit-CPUs vom Typ Zilog Z80. Auf einer Glasplatte mit 5-Zoll-Diagonalen entstand so ein 2,2-Zoll-Display mit sechs Z80-Chips. Nachdem die Machbarkeit des integrierten Glas-Computers bewiesen ist, will der Elektronikkonzern als nächstes die Massenfertigung von System-on-Panel-Komponenten angehen. Derzeit knobeln die Ingenieure an der Integration von Display, Prozessor und Grafikcontroller auf dem gleichen Glasträger. Auch über optische Ein-Ausgabe-Systeme, die das transparente Glassubstrat nutzen, wird nachgedacht.

Was Infineon mit aufgedruckten organischen Transistoren vorhat, will Hitachi mit Wolken von Pulver-Chips bewerkstelligen: alles und jedes mit RF-Tags auszeichnen. Dazu hat Masako Usami im zentralen Forschungslabor in Tokio die bereits vorhandenen, nur staubkorngroßen RF-Identifikationschips der Firma weiter verkleinert. Der auf einer Metallfilm-Antenne sitzende Baustein ist jetzt nur noch 0,3 mal 0,3 Quadratmillimeter groß. Er ist als Datenträger von Artikelnummern und anderen Produktidentifikationen gedacht und ist auch für Geldscheine im Gespräch. Drahtlos lässt er sich mit einem RF-Lesegerät bis auf Entfernungen von 30 Zentimetern auslesen.

Drastische Verkleinerung soll auch anderen drahtlosen Kommunikationsverfahren zum Durchbruch verhelfen. Das südkoreanische Forschungsinstitut KAIST zeigte mit einem weniger als neun Quadratmillimeter messenden Transceiver die winzigste Bluetooth-Implementierung. Geringfügig größer - bei einem ungünstigeren 0,5-Mikron-Produktionsprozess - ist der Bluetooth-Chip von Skywork Solution aus dem kanadischen Ottawa. Trotzdem bleibt der maximale Leistungsbedarf beim Empfang unter 24 mW und im Sendemodus bei 6 mW. Ganze 16 Quadratmillimeter Chipfläche benötigt Santel Networks aus Newark, um Bluetooth- und WLAN-Module nach 802.11-Standard zusammen auf einem Baustein unterzubringen. Der Dualmodus-Transceiver arbeitet mit 1,8 Volt und soll im 0,18-Mikron-Verfahren produziert werden. Eine weitere Kombination aus Bluetooth und WLAN zeigte Broadcom in einem 0,35-Mikron-Design für drei Volt.

Prozessor-News

Die großen Prozessorhäuser nutzen die ISSCC gern als Plattform, um ein paar Details über ihre nächste Produktgeneration zu verraten. Allen voran Intel mit einigen Informationen zur Itanium-Familie. Montecito, der für 2005 angekündigte Dual-Prozessor-Kern, soll nach den Ausführungen von Nimish Modi, Intels General Manager der Enterprise Processor Division, mehr als doppelt so viel Cache wie sein Vorgänger Madison 2 aufweisen, mithin also mehr als 18 MByte. Damit würde Montecito vermutlich als erster Chip weit mehr als eine Milliarde Transistoren besitzen - falls nicht HP oder IBM überraschend noch etwas Größeres aus dem Hut zaubern.

Auch Montecito soll mit dem gleichen Bus-Interface (200 MHz Double-pumped) wie der in Kürze auf den Markt kommende Itanium 2 (Madison) arbeiten und damit systemkompatibel sein. Die beiden Prozessorkerne des Montecito besitzen nicht nur jeweils eigene L1- und L2-Caches, sondern interessanterweise auch eigene L3-Caches - und alles On-Die. Ganz anders das konkurrierende Doppelprozessordesign des IBM-Power4, der einen gemeinsamen L2-Cache von (bislang) 1,5 MByte besitzt, aber mit einem externen L3-Cache arbeitet.

Den für dieses Jahr geplanten Madison wird es in drei Cachegrößen (3, 4, 6 MByte) und in drei Geschwindigkeitsstufen bis hinauf zu 1,5 GHz geben. Daneben will Intel auch eine Low-Power-Version mit Codenamen Deerfield herausgeben. Bei 1,5 GHz soll der Leistungsbedarf des Madison wie der seines Vorläufers McKinley (mit 1 GHz) bei 130 W liegen; auch der fürs nächste Jahr geplante Madison 2 mit 9 MByte Cache und mehr als 1,5 GHz Takt soll nicht über 130 W brauchen (bei gleichem 130-nm-Herstellungsprozess). Die Mikroarchitektur ändert sich gegenüber dem aktuellen Itanium-2-McKinley nicht (gleiche L1-/L2-Caches, gleiche Pipeline, gleiche Funktionseinheiten). Auch die Latenzzeiten und die Transferraten beider Caches sind in Takten ausgedrückt gleich, skalieren daher mit dem Prozessortakt. Nur die Latenzzeit auf den L3-Cache wurde um zwei Takte verlängert.

Itanium-Partner HP tanzt vorerst weiter auf anderen Hochzeiten und stellte den wohl letzten Alpha-Chip EV79 vor. Zusammen mit der als Schmiede dienenden Firma IBM haben die HP-Ingenieure in Shrewsbury/Massachusetts den 64-Bit-Prozessor von bislang 0,18- auf 0,13-µm-Strukturen verkleinert. Dadurch schrumpft die Die-Fläche von knapp vier auf 2,5 Quadratzentimeter. Das soll einen Takt von 1,45 GHz ermöglichen, wobei der Leistungshunger von bislang 155 auf 100 Watt schrumpft - ganz im Sinne des ISSCC-Mottos: leistungsbewusste (‘power-aware’) Systeme. (as)