IMEC-Fellow kommentieren das mooresche Gesetz - Teil 4 Prof. Dr. Chris Van Hoof »Auch Sensoren für Wearables profitieren von der Skalierung nach dem mooreschen Gesetz«

Moore´s Gesetz
Moore´s Gesetz

Die analoge Halbleitertechnik folgt der digitalen Halbleitertechnik mit Abstand. Prof. Dr. Chris Van Hoof erläutert im vierten Teil der Serie, warum die Analogtechnik vom Miniaturisierungsfortschritt des Gesetzes von Gordon Moore profitiert – wenn auch verzögert – und dass hier das mooresche Gesetz noch lange wichtig bleiben wird.

Meine spezifische Forschungsagenda steht nicht im direkten Zusammenhang mit der von Gordon Moore formulierten Gesetzmäßigkeit und fortschrittlichen Chip-Techniken. Wir verwenden für unsere medizinischen Sensoren derzeit die 180-nm-Technik. Auf den ersten Blick könnte man also sagen, dass wir technisch 10 bis 15 Jahre zurück liegen. Es gibt verschiedene Gründe, warum wir mit der älteren Technik arbeiten. Einer davon ist, dass die analogen Modelle vollständig entwickelt und damit wirklich ausgereift sind. Bei neuen Chip-Techniken liegt der Fokus meist auf deren digitalen und HF-Eigenschaften. Analoge Modelle und Bausteine entstehen dagegen erst zu einem späteren Zeitpunkt. Ausgereifte analoge Halbleiter-Fertigungsprozesse sind für uns aber äußerst wichtig. Denn alle unsere Messroutinen – Temperatur, Herzfrequenz etc. – betreffen analoge Parameter. Wir brauchen also Techniken mit sehr guten analogen Fähigkeiten und guter Signalqualität. Zudem müssen sie kostengünstig sein und „ideale“ Eigenschaften bieten. Damit ist 180 nm gegenwärtig der herausragende Knoten für medizinische Sensoren in Wearables im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Kosten und Leistungsfähigkeit.

Natürlich können auch die Sensoren für Wearables von weiter fortgeschrittenen Halbleitertechniken profitieren. Mit dem Einsatz von 180-nm-Strukturen können wir Chips mit einer Fläche von knapp 30 mm² herstellen. Doch wenn wir zu kleineren Systemen mit höherem Funktionsumfang übergehen wollen, brauchen wir die weiter fortgeschrittenen Techniken. Deshalb halten wir derzeit Ausschau nach skalierbaren analogen Schaltungsarchitekturen im 40-nm-Bereich. Kleinere Chips haben auch einen Preisvorteil – und der erweitert den Bereich ihrer Anwendungen. Stellen Sie sich Chips mit 5 mm² Grundfläche oder noch kleiner vor, mit denen wir Sensor-bestückte medizinische Pflaster herstellen können.

Es gibt noch einen weiteren Grund, warum wir auch in unserem spezifischen Fachbereich weiter fortgeschrittene Chip-Techniken benötigen. Medizinische Sensoren generieren eine Menge von Daten, aus denen wir anwendungsbezogene Schlussfolgerungen ziehen können. Fortschrittliche Halbleitertechniken sind essenziell für diese Art der Datenverarbeitung. Dabei findet nur ein begrenzter Teil der Verarbeitung in den Sensoren selbst statt und dieser Teil der Verarbeitung dient nur zur Extraktion der relevanten Daten aus den Messungen und zu deren Weiterleitung. Die zweite, höhere Verarbeitungsebene, auf der die Signale ausgewertet werden, befindet sich in einem zentralen System, das wir ständig mit uns tragen: das Smartphone oder die Smartwatch. Dieses zentrale System bildet die Schnittstelle zwischen den Sensoren und der Cloud.

Die Gesundheits-Cloud ist die dritte und höchste Ebene, auf der die Daten gespeichert und miteinander verknüpft werden. Signifikante Verarbeitungsleistungen und Rechengeschwindigkeiten sind auf dieser Stufe erforderlich. Hier werden die Daten von Millionen von Menschen gespeichert, und hier werden die spezifischen Trends aufgedeckt, mit denen sich bestimmte Pathologien voraussagen lassen. So kann beispielsweise Ihre persönliche Stress-Messung als Frühindikator für ein erhöhtes Burnout-Risiko dienen. Eine Smartphone-App informiert, ob Anzeichen für eine unmittelbare Gefahr vorliegen – und schlägt daraufhin geeignete Optionen zur Behandlung und Bewältigung vor. Die nächste Revolution im Gesundheitswesen dreht sich somit nicht um die am Körper getragenen Sensoren, sondern um die medizinischen Dienstleistungen, die mit ihnen und durch sie entstehen. Zwei Dinge sind dabei sicher: Tragbare Sensoren werden zum Mainstream, wie es die Smartphones schon heute sind, und die Bedeutung der durch sie ermittelten Daten wird enorm steigen. Um das zu verwirklichen, wird das moore­sche Gesetz mit seinen älteren und mit seinen jeweils neuesten Halbleitertechniken auch weiterhin von großer Wichtigkeit sein.

 

Der Autor


Prof. Dr. Christiaan Van Hoof
erhielt seine Promotion in Elektrotechnik 1992 von der Katholieke Universiteit (KU) Leuven, Belgien. Bei IMEC wurde er 1998 zunächst Leiter der Detector-Systems-Gruppe, 2002 Direktor der Abteilung Microsystems, 2004 Direktor der Abteilung Integrated Systems und 2007 Programmdirektor. Seit 2009 ist er Abteilungs- und Programmdirektor des Projektes „HUMAN++“. Mikro-Komponenten und -Systeme sowie Funk-Sensorsysteme für Wearables mit ultraniedriger Energieaufnahme und smarte implantierbare Systeme sind sein Hauptforschungsgebiet. Seit 2000 lehrt Chris Van Hoof als Gastprofessor an der KU.