Vorbild Natur Chips die Schmerz empfinden, können sich selbst heilen

Weiterentwicklung der Mini-Transistoren .
Weiterentwicklung der Mini-Transistoren.

Um Transistoren weiter miniaturisieren zu können, sind viele Zuverlässigkeits-Probleme zu lösen. Auf Systemebene müssen Methoden erarbeitet werden, um selbstheilende ICs zu realisieren – ICs, die detektieren oder »fühlen«, wo Fehler auftreten, und wissen, wie sie zu bewältigen oder zu »heilen« sind.

Noch vor wenigen Jahren konnten Halbleiterhersteller ihre CMOS-ICs mit garantierter Lebensdauer vermarkten. Diese ICs basierten auf Chips, die alle dieselben mittleren Eigenschaften hatten und in vorhersagbarer Weise alterten. Ein so genannter Guard-Band-Ansatz mit Zuschlägen zur mittleren Transistor-Charakteristik sorgte für die Gewährleistung der vorgesehenen Funktionen – auch unter extremen Betriebsbedingungen.

Als Folge der Miniaturisierung und der dabei auftretenden Zuverlässigkeitsprobleme sind diese Zuschläge oder Sicherheitsbänder von ehemals 10 % auf viel höhere Toleranzbandbreiten angewachsen. Das Ergebnis: Unterhalb von 14 nm wird der Guard-Band-Ansatz für ICs, die eine gewisse Funktionsgarantie verlangen, allmählich nicht mehr haltbar (Bild 1). Bedeutet dies das vorzeitige Ende der Miniaturisierung?

Zuverlässige Systeme mit weniger zuverlässigen Schaltungen

Vielleicht bringt diese Problematik das Ende des Guard-Band-Ansatzes, aber sicherlich nicht das Ende der Miniaturisierung. In der Vergangenheit wurde die Zuverlässigkeit eines ICs zum größten Teil von der Entwicklung der Halbleiterfertigungstechnik garantiert. Sehr bald jedoch wird dies so nicht mehr möglich sein. Wir nähern uns dem Punkt, an dem die Entwickler der Fer¬tigungsprozesse eng mit den Chip-Experten kooperieren müssen, um zuverlässige ICs zu entwickeln, die auf weniger zuverlässigen Schaltungen basieren.

Eine Forschungsgruppe beim IMEC vermisst und untersucht die Zuverlässigkeitsaspekte integrierter Schaltungen: In der 40-nm-Technik ist es noch möglich, deren Zuverlässigkeitsprobleme zu beherrschen und damit verlässliche ICs zu erstellen. Bei 7 nm allerdings kann die geringere Zuverlässigkeit der Schaltungen das gesamte auf diesen ICs basierende System nachteilig beeinflussen. Konventionelle Entwurfsmethoden können dies nicht verhindern. Neue Paradigmen sind deshalb dringend geboten.

Der Alterungsvorgang von integrierten Schaltungen wird bei stark miniaturisierten Halbleiterstrukturen zu einer äußerst komplexen Materie. Sogar unter fest vorgegebenen Lastbedingungen zeigen die integrierten Schaltungen keine uniforme alterungsbedingte Verschlechterung der Eigenschaften mehr. Jeder einzelne Schaltkreis hat seinen eigenen Degradationsverlauf. Das zwingt zur Betrachtung der statistischen Verteilungen der Degradation. Um die Lage noch komplizierter zu machen, sind die Belastungen der ICs im realen Betrieb nicht fest. Bestes Beispiel ist eine Multimedia-Applikation, in der die Last von der aktuellen Befehlseingabe des Nutzers abhängt. Diese Abhängigkeit von der Nutzung macht es sehr schwierig, die Degradation der stark miniaturisierten integrierten Schaltungen vorherzusagen.

Andererseits ist diese Belastungsabhängigkeit der Alterung nicht unbedingt ein Negativum. Sie bietet letztlich auch den Schlüssel zu der Lösung, an der Wissenschaftler beim IMEC arbeiten, um zuverlässige ICs mit stark miniaturisierten Schaltungen zu erstellen. Zukünftige ICs werden mit verteilten Überwachungsstufen ausgerüstet sein, die lokale Fehler im IC detektieren, des weiteren mit einem Mikrocontroller, der diese Information erfasst und über die weitere Vorgehensweise entscheidet, sowie mit so genannten Stellknöpfen (Aktoren), die vom Mikrocontroller so gesteuert werden, dass sie das vorliegende Problem beseitigen.

Diese Vorgehensweise lässt sich mit dem menschlichen Körper vergleichen: Das Nervensystem ermittelt, wo ein Schmerz oder eine Infektion lokalisiert ist und übermittelt diese Information an das Gehirn als Steuerorgan, das die betroffenen Körperzellen veranlasst, das Problem zu beheben oder geeignete Körperreaktionen auslöst, um den Anlass des Schmerzes zu erkennen und abzustellen. IC-Entwickler können eine Menge daraus lernen, wie der Gang der Evolution das in dieser Hinsicht raffinierteste System entwickelt hat: den menschlichen Körper und das Gehirn (Bild 2).

Bilder: 4

Vorbild Natur, Bilder 1-4

Chips, die Schmerz empfinden, können sich selbst heilen