Silicon-on-Insulator »ARM Cortex« in SOI-Technologie aufgebaut

So sieht eine SRAM-Zelle in der FD-SOI-Technologie (Fully-Depleted Silicon-on-Insulator) aus.
So sieht eine SRAM-Zelle in der FD-SOI-Technologie (Fully-Depleted Silicon-on-Insulator) aus.

Niedrige Verlustleistung bei möglichst hoher Rechenleistung – das ist das Mantra moderner mobiler Konsumelektronik. Ein Industriekonsortium hat nun einen »ARM Cortex-M0« in einem besonderen Silicon-on-Insulator-Prozess aufgebaut, um die nächste Stufe in diesem Rennen zu erklimmen.

Das SOI-Industriekonsortium hat die Ergebnisse einer Prüfung und Charakterisierung der FD-SOI-Technologie (Fully-Depleted Silicon-on-Insulator) veröffentlicht. Es konnte gezeigt werden, dass dieser moderne CMOS-Siliziumprozess die steigenden Anforderungen an niedrige Verlustleistung bei hoher Rechenleistung bei mobiler Konsumelektronik adressieren kann. Als Demonstrator haben die Unternehmen ARM, Globalfoundries, IBM, STMicroelectronics, Soitec und CEA-Leti gemeinsam einen »ARM Cortex-M0«-Prozessor in dieser Prozesstechnik implementiert.

Eine besondere Herausforderung bei mobiler Konsumelektronik ist es, die Stabilität der SRAM-Bit-Zelle trotz sinkender Betriebsspannung weiter zu gewährleisten. Benchmark-Messungen an der FD-SOI-Technologie zeigten, dass sich damit SRAM-Betriebsspannungen bis hinunter zu 100 mV bis 150 mV realisieren lassen. Dadurch ließe sich die Leistungsaufnahme des Speichers um 40 Prozent reduzieren, ohne die Stabilität des SRAMs zu gefährden.

Ein weiterer Vorteil von FD-SOI ist, dass sich damit die Systemperformance deutlich schneller steigern lässt, als bei traditionellen Low-Power-Prozessen auf Siliziumwafern. Während dies bei Letzteren bei etwa 20 bis 30 Prozent liegt, wenn man von einem Prozessknoten zum nächsten geht, liegt die Verbesserung laut dieser Studie bei FD-SOI bei zusätzlich 80 Prozent. Das weckt Hoffnungen, dass sich Handheld-Produkte deutlich weniger Leistung verbrauchen werden, sodass sich neue Features deutlich einfacher implementieren lassen.

Auch produktionstechnisch soll die FD-SOI-Tecnologie einige Vorteile bieten: Es lassen sich einige Maskenlagen während des Transistor-Formierung einsparen. Dies vereinfacht und beschleunigt den Herstellungsprozess, was letztendlich auf die Kosten positiv beeinflusst. Auch bestehende Designwerkzeuge und Methoden lasen sich vollständig weiterverwenden.

Hersteller von SOI-Wafern haben bestätigt, dass die ultradünnen Wafer, die für FD-SOI nötig sind, alle Spezifikationen erfüllen, und man sei startklar für die Massenproduktion.