Systems on Chip Mehr Rechenpower, weniger Leistungsaufnahme

Moderne Infotainmentsysteme stellen hohe Anforderungen an die eingesetzte Hardware-Plattform.
Moderne Infotainmentsysteme stellen hohe Anforderungen an die eingesetzte Hardware-Plattform.

Automobiltaugliche Systems on Chip (SoCs) wie die R-Car-Familie von Renesas müssen nicht nur stetig steigende Leistungen bei sinkendem Verbrauch erbringen, sondern zugleich auch noch hohen Umgebungstemperaturen trotzen können. Diese divergierenden Vorgaben erfordern ein ausgeklügeltes Chip-Design.

Ob Multimedia-Navigationssysteme, mobiler Internetzugang oder Assistenzsysteme wie Verkehrszeichenerkennung und kamerabasierte Einparkhilfen – die Ansprüche an Funktionsvielfalt und Rechenleistung im Fahrzeug werden von Jahr zu Jahr größer. Die Kunden haben sich an das hohe Innovationstempo der Konsumelektronik gewöhnt und erwarten inzwischen auch beim Auto eine permanente Weiterentwicklung.

Bedingt durch die langen Entwicklungszyklen und die Lebensdauer von mehr als zehn Jahren ist deshalb die Bereitstellung von Leistungsreserven ein Muss für den Automobilzulieferer. Allerdings ist der Automobilmarkt gleichzeitig auch für seinen hohen Kostendruck bekannt. Der Entwickler muss also den kostengünstigsten Prozessor für sein System wählen, der gerade noch die technischen Anforderungen erfüllt. Wenn neben einem Premiumsystem auch ein günstiges Einsteigergerät gefordert ist, sollten die Applikationsprozessoren zudem skalierbar sein, damit nicht für jedes System Konzepte und Software komplett neu entwickelt werden müssen.

Den thermischen Haushalt in den Griff bekommen

Hinzu kommt, dass sich die Einsatzbedingungen im automobilen Umfeld deutlich von denen der Konsumelektronik unterscheiden. Im Automotive-Bereich müssen Temperaturen von über 100 °C beherrscht werden und Nutzungszeiträume bis zu 15 Jahre. Die hohen Umgebungstemperaturen wirken sich negativ auf fast alle Systemeigenschaften aus. Vor allem altern die Bauteile unter Hitzeeinfluss exponentiell schneller. Elektrische Parameter wiederum müssen für einen Temperaturbereich von mehr als 150 °C ausgelegt werden – bei Frequenzen im GHz-Bereich auf der Leiterplatte ist das alles andere als ein triviales Unterfangen. Im Vergleich dazu muss ein typisches Smartphone nur einen Temperaturbereich von 0 °C bis 35 °C verkraften.

Das Beherrschen des thermischen Haushalts für ein Multimedia- oder Fahrerassistenzsystem ist eine echte Herausforderung. Während beim Applikationsprozessor eines Smartphone die Batterielebensdauer im Vordergrund steht, geht es im Auto eher darum, die unter den jeweiligen Randbedingungen höchstmögliche Rechenleistung zu implementieren. Der Einbauort kann meist nicht frei gewählt werden und ist zudem begrenzt. Kamerasysteme finden zum Beispiel im Innenrückspiegel Platz. Rotierende Lüfter sind dort nicht gern gesehen, da sie schwerlich die hohen Lebensdaueransprüche erfüllen können. Es liegt auf der Hand, dass das Problem umso einfacher lösbar ist, je weniger Verlustleistung im Gerät selbst erzeugt wird. Dabei kommt der Verlustleistung des Prozessors eine große Bedeutung zu. Sie kann durchaus 20 bis 50 % der Gesamtverluste betragen. Die Verlustleistung ist dabei auf wenige Quadratzentimeter Leiterplatte konzentriert, hier befinden sich üblicherweise auch weitere Hochleistungsbauteile wie der Systemspeicher. Leiterplatten werden daher heute auch nach thermischen Gesichtspunkten gestaltet. Das Gerätegehäuse muss die Wärme abführen und dazu oft direkten thermischen Kontakt zum Prozessor haben. All diese Randbedingungen tragen zur Verteuerung des Endsystems bei.

Chip-Design ist der Schlüssel für ­eine geringe Leistungsaufnahme

Die Kernfrage lautet daher: Wie lässt sich die Leistungsaufnahme des Prozessors optimieren? Um diese Frage zu beantworten, ist es nötig, sich die verschiedenen Ursachen für Verlustleistung getrennt anzusehen. Jeder schaltende Transistor erzeugt elektrische Verluste durch das Umladen von kleinsten Ladungen, gekennzeichnet durch die sogenannte dynamische Stromaufnahme. Diese sind abhängig von der gewählten Taktfrequenz. Geringere Taktfrequenz bedeutet linear geringere Verluste. Zwar ist die Stromaufnahme pro Transistor mit jeder Halbleitergenera-tion gesunken, doch ist die Zahl der Transistoren im gleichen Maße gestiegen. Das gilt ebenso für die Taktrate.

Konnte man bis ca. 90 nm Strukturbreite noch von rein dynamischen Verlusten ausgehen, kommen im sogenannten Deep-Sub-Micron-Bereich auch statische Verluste zum Tragen: die Leckströme. Diese entstehen durch unvermeidbare Tunneleffekte und sind unabhängig davon, ob der Transistor nun schaltet oder nicht. Die Leckströme sind sehr stark temperaturabhängig. In einer vereinfachten Annahme verdoppeln sie sich alle 25 bis 30 °C. Während also Leckströme in einem Smartphone bei Raumtemperatur noch gut beherrschbar sind, können sie im automobilen Umfeld schon mal die zehnfachen Werte annehmen und die dynamische Stromaufnahme übertreffen.

Ein Transistor muss auf die maximal geplante Taktrate ausgelegt werden. Schnelle Transistoren weisen aber auch höhere Leckströme auf. Daher ist es mittlerweile Standard, beim Chip-Design Bibliotheken mit unterschiedlich schnellen Transistoren zu verwenden. Hier werden die schnellsten Transistoren nur dann gewählt, wenn das Design es erfordert. Die Senkung der maximal nötigen Taktrate zur Erfüllung der Applikationsanforderungen trägt stark zur Verringerung der Leistungsaufnahme bei.