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IEDM 2018

Foundries als Enabler für Industrie 4.0

4. Dezember 2018, 6:31 Uhr | Gerhard Stelzer

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Foundry als Enabler

Das Ökosystem der Halbleiterindustrie besteht laut Jung aus fünf Schlüsselspielern: Fabless Designhäuser, Foundries, EDA/IP-Anbieter, ausgelagerte Montage und Test (OSAT), und Speicheranbieter. Unter ihnen spielt die Foundry eine entscheidende Rolle bei der Realisierung der 4. industriellen Revolution. Die Schlüsselfunktion von Fabless Designhäusern besteht darin, brillante, innovative Ideen zu entwickeln. Diese Ideen der über 1000 Fabless Designhäuser auf der Welt müssen umgesetzt werden, und nur Foundries haben die Mittel dazu.

Traditionell war der Begriff der Foundry auf die Fertigung von Wafern mittels eines Halbleiterprozesses beschränkt. Foundries wurden einfach als ausgelagerte Fertigungszentren betrachtet, die über die monetären Ressourcen für Anlagen und Ausrüstung verfügten. Moderne Schaltungen sind jedoch viel komplexer geworden und die damit verbundenen Herstellungskosten haben sich drastisch erhöht. Beispielsweise hat sich die Zahl der Logikgatter aktueller Anwendungsprozessoren vom 45-nm- zum 10-nm-Technologieknoten auf das Fünffache erhöht. Daher wurden einige dieser Aufgaben in Foundries verlagert. Vor allem mittelständische bis kleine Unternehmen, die selbst nicht über entsprechende Ressourcen verfügen, verlassen sich heute mehr auf Foundries und nehmen zusätzliche Dienstleistungen, insbesondere in drei Bereichen: Designservice und Infrastruktur, Produktentwicklung und Verpackung/Prüfung in Anspruch. Die Komplexität von Designs stieg an jedem Technologieknoten, genauso wie die Funktionen, die in einem einzigen Chip integriert sind. Das hat die Halbleiterindustrie verändert. Heute sind Designlösungspartner (DSPs) gefragt und Foundries mit ASIC-Design Know-how.

Zweitens sind Produkt-Engineering-Dienstleistungen wie die Optimierung und Fehleranalyse (FA) auf Systemebene immer mehr gefragt. In-Fab FA verkürzt die TAT (Turn Around Time) signifikant und reduziert die Kosten, während DFM- und DFT-Unterstützung die Fabless-Partner in den Genuss einer schnellen Steigerung der Produktionsausbeute kommen lässt bei gleichzeitiger Einhaltung von strengen Zuverlässigkeitsanforderungen.

Schließlich sorgt eine auf die jeweilige Anforderung zugeschnittene fortschrittliche Montage mit Test für eine Steigerung der Leistung auf Systemebene und vereinfacht die Lieferkette. Allerdings stellt sich die Frage, wie viele Foundries benötigt werden, wenn das Spektrum der Anwendungen weiter wächst.

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Technologische Herausforderungen

Trotz vieler technologischer Fortschritte stellt die 4. Industrielle Revolution die Halbleiterindustrie immer noch vor viele Herausforderungen mit einer noch nie da gewesenen Vernetzung und Datenerzeugung. Das trifft insbesondere auf die Komplexität von Sensornetzwerken, die beispiellose Erzeugung von Datenmengen und die Latenzzeiten in der Kommunikation zu.

Die Komplexität eines Sensornetzwerks ist eine Herausforderung in einer Welt, die immer vernetzt sein soll und das mit höchster Genauigkeit. Smart Homes erfordern Netzwerke mit verschiedenen Sensoren, wie Thermostate und Überwachungssensoren müssen immer "eingeschaltet" sein und "verbunden", um ohne menschliches Zutun zu funktionieren. Ebenso benötigen autonome Fahrzeuge Sensoren wie LiDAR, Kurzstrecken-Radar und Ultraschallsensoren für eine nahtlose Integration, die die Sicherheit von Fahrer und Fahrgästen gewährleisten soll. Allerdings macht die Vernetzung von allem mit allem Systeme verwundbarer.

Die beispiellose Erzeugung von Datenmengen und aus diesem Datenfluss aussagekräftige Informationen zu extrahieren ist eine Herausforderung. Es wird erwartet, dass ein autonomes Fahrzeug Daten in der Größenordnung von Terabytes pro Tag erzeugt. Unter der Annahme, dass irgendwann fünf Millionen dieser Fahrzeuge unterwegs sind, müssen Datenmengen, die über Exabytes hinausgehen, irgendwo gespeichert werden. Da werden Probleme bei der Analyse und Speicherung der Daten auftreten, da nicht allerorts sicherer Zugriff auf Datenzentren aufgrund von Kapazitätsengpässen oder schlechter Netzanbindung zu gewährleisten sein dürfte. Darüber hinaus erfordert eine Echtzeitanalyse der Daten enorme Rechenleistungen.

Die dritte Herausforderung ist die Latenzzeit der Kommunikation. Die Kommunikation von Maschine zu Maschine erfordert eine echtzeitfähige Verbindung, selbst eine Verzögerung vom Bruchteil einer Sekunde kann zu erheblichen Schäden führen. Wenn beispielsweise ein autonomes Fahrzeug mit 100 km/h fährt, dann hat es bereits 4 m zurückgelegt, bis auf Basis des 3G-Netzes eine Entscheidung fallen könnte. Denn dort beträgt die Latenzzeit etwa 150 ms. In einem 4G-Netzwerk mit einer Latenzzeit von 10 ms kommt das Fahrzeug nur 2,8 cm weit. Ein 5G-Netzwerk erreicht praktisch Echtzeit.