Socionext ASICs sind wieder aktuell

Automotive-Anwendungen werden zu einem starken Wachstumstreiber am ASIC-Markt.

Vor zehn Jahren wurden viele ASICs entwickelt. Dann gingen Jahr für Jahr die Design-Starts zurück. Jetzt erlebt die Technologie eine Renaissance, und dafür gibt es triftige Gründe.

ASICs – anwendungsspezifische integrierte Schaltungen – entstanden in den 1980er-Jahren, als die Kosten für die Fertigung sanken und neue Entwurfsmethoden und Software-Tools verfügbar wurden. So war es einer größeren Anzahl von Unternehmen möglich, eigene Chips herzustellen. Zuvor war das Halbleiterdesign die exklusive Domäne einiger sehr spezialisierter Halbleiterhersteller, die über die Mittel zum Bau von Halbleiterfertigungen sowie das Fachwissen in IC-Technologie, -Fertigung und -Design verfügten.

In den Folgejahren durchlief die Halbleiterindustrie eine rasante Entwicklung. Die Einführung von Hardware-Beschreibungssprachen sowie Logiksynthese ermöglichten es z.B., die heute üblichen komplexen Schaltungen von mehreren Millionen Logikgattern auf einem ASIC zu implementieren. Darüber hinaus hat das Aufkommen von Foundries, also Firmen, die sich auf die Fertigung von Halbleitern spezialisieren, die Halbleiter- und ASIC-Industrie nachhaltig verändert, da es fortan möglich war, ohne eigene (teure) Halbleiterfertigung, ICs und ASICs anzubieten.

CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), die seit Jahrzehnten dominante Halbleitertechnologie, durchlief seit ihren Anfängen eine ständige Miniaturisierung und damit auch eine Erhöhung der Integrationsdichte. Mitte der 1980er-Jahre konnten mit CMOS-Technologien minimale Strukturen von 1 µm auf einem IC implementiert werden. Ende der 1990er-Jahre war man schon bei 180 nm angekommen. Die im Moment (2019) modernsten CMOS-Halbleitertechnologien bieten minimale Strukturgrößen von 7 nm.

Allerdings gibt es Anzeichen, dass sich die Geschwindigkeit der Miniaturisierung verlangsamt. Die minimalen Maße heutiger Transistoren im einstelligen nm-Bereich bedeuten, dass der simple planare CMOS-Fertigungsprozess nicht mehr an jeder Stelle funktioniert. Auch sind Transistoren mittlerweile so klein geworden, dass physikalische Effekte wie z.B. der Kurzkanaleffekt dominieren und die Transistor-Performance beeinträchtigen.

Dies kompensieren die Halbleiterhersteller mit innovativen neuen Fertigungsmethoden und technologischen Innovationen. So arbeiten seit 16 nm alle Mainstream-CMOS-Prozesse mit sogenannten FinFET-Transistoren, die den Kurzkanaleffekt in CMOS reduzieren. Ab 7 nm wird jetzt auch sehr kurzwelliges ultraviolettes Licht (EUV) mit einer Wellenlänge von 13,5 nm zum Belichten der Masken in der Halbleiterfertigung eingesetzt, was extrem aufwändig ist, weil man z.B. komplett unter Vakuum belichten muss.

Als Folge dieser Entwicklung sowie anderen Faktoren wie dem ebenfalls gestiegenen Aufwand zur IC-Verifikation und -Software-Entwicklung sind die Kosten für die jeweils aktuelle Halbleitertechnologie in den letzten Jahren ständig gestiegen. Es wird erwartet, dass sich dieser Trend in den kommenden Jahren fortsetzt.

Gestern: steigende Kosten

Auch der ASIC-Kunde hat diese gestiegenen Entwicklungskosten zu spüren bekommen. Tatsächlich macht eine ASIC-Entwicklung in der aktuellsten HL-Technologie aus rein ökonomischen Gesichtspunkten nur bei hohen erwarteten Stückzahlen Sinn. Das bedeutet natürlich auch, dass ein ASIC in einer aktuellen HL-Technologie für viel weniger Kunden infrage kommt, als das in früheren Technologien der Fall war. Tatsächlich hat die ASIC-Industrie im letzten Jahrzehnt aus den genannten Gründen signifikante Änderungen durchlaufen. Die Zahl der ASIC-Anbieter hat sich verringert und es sah für eine Weile so aus, also ob ASICs nur noch für eine Minderheit von Anwendern interessant bleibt. Diese Entwicklung ist aber dabei, sich umzukehren.