ICs für die IT?

? unter diesem Thema fand in den ersten Februartagen in San Francisco die ISSCC statt, die Top-Veranstaltung für jeden Elektronikdesigner, der sich in Sachen modernster Halbleitertechnik sowie SoC-Entwicklung auf dem Laufenden halten will.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent der Elektronikschau

Spezialisten der japanischen NEC demonstrierten auf der ISSCC markante Fortschritte in der Messtechnik mit einem hochinteressanten Oszilloskop-Makromodul, das als ein 8-Kanal Frontend mit 100 GSa/s ausgelegt ist und sich mit dem jeweiligen Chiplayout kombinieren lässt. Die NEC-Forscher schlagen zum Beispiel vor, die sogenannten Sampling-Heads für lokale Messungen über die gesamte Chipstruktur zu verteilen, um an kritischen Punkten u. a. Spannungswerte und Taktsignale zu überprüfen. Gefertigt wird das Makromodul mit einem 0,13 µm CMOS-Fertigungsverfahren. Ohne Zweifel sind derartige Messungen wesentlich genauer, realitätsnäher und weitgehend störungsfrei. Diese Entwicklung von NEC ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer extrem genauen on-chip Messtechnik.
Potentielle Applikationen für hochauflösende und vollfarbige Mikroanzeigen gibt es sicher mehr als genug ? vor allen Dingen im Zeichen tragbarer Kleincomputer. Neueste Anzeigentechniken verwenden Anordnungen von mikroskopisch kleinen, organischen LEDs (OLED), die sich auf einem Siliziumsubstrat befinden. Derartige Anzeigen verfügen über einen höheren Kontrast und bessere Farbsättigung als herkömmliche LED-Anzeigeeinheiten.
Über eine wesentliche Weiterentwicklung bei OLED-Mikroanzeigen berichteten Forscher vom Tality Design Center im US-Bundesstaat Maryland. Die von ihnen entwickelte Anzeige integriert auf einer Fläche von 1,4 x 1,6 cm mit Hilfe einer 0,35 mikron CMOS-Fertigungstechnik nicht weniger als 10 Millionen Transistoren. Die 1,5 Millionen, individuell ansteuerbaren Pixel befinden sich auf einer Fläche von 5 x 15 mikron für die 3-Farben-Darstellung, wobei ein Pixelstrom von 250 pA bis 25 nA zu erwarten ist. Die komplette Einheit verbraucht etwa 200 mW an 3 V bei ablaufendem Videosignal, wobei 15 Videostandards berücksichtigt werden können.

Technik für Menschen
Im Laufe der Zeit hat die Menschheit zahlreiche Hilfsmittel entwickelt, mit denen eine immer genauere Navigation ermöglicht wurde. Systeme, die hinsichtlich Raumbedarf und Kosten keine wesentlichen Limitierungen aufweisen, verwenden dabei gerne ein mechanisches Gyroskop, die Basis der bekannten Trägheitsnavigation. Aber bis zum heutigen Tage scheiterte die Miniaturisierung des Gyroskops vor allen Dingen an den erheblichen Kosten.
Während der ISSCC-Tage beschrieben Experten von Analog Devices die Entwicklung und Konstruktion des weltweit ersten und kommerziell verwendbaren und voll funktionsfähigen Einchip-Gyroskops. Dieses MEMS-Bauelement (micro-electro-mechanical) verfügt über eine komplette Interfaceelektronik für die entsprechende Integration und verwendet einen mikromechanischen Resonator, um die notwendige Referenz zu realisieren. Die Größe des Dies beträgt nur 3 x 3 mm und ist damit wesentlich kleiner als herkömmliche Schaltungslösungen. Gefertigt wird der Chip mit einem 3 µm BiCMOS-Prozess, der einen Leistungsverbrauch von 6 mA an 5 V realisiert. Der Arbeitstemperaturbereich wird mit -55 bis +85 °C angegeben.
Etwa 75 Prozent aller Kosten im Gesundheitswesen der USA betreffen chronisch Kranke, deren medizinische “Parameter” sorgfältig ? aber möglichst kostengünstig ? überwacht werden sollten. Hierbei kann unter anderem auch die Mikrowellentechnik in Form eines Doppler-Radars bei der Herz- und Lungendiagnostik wertvolle Hilfe leisten, zumal bei dieser Anwendung der Patient nicht einmal berührt wird. Forscher der Lucent Technologies haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Stanford University die Einchip-Implementierung eines “direct-conversion” Radars auf preiswerter Siliziumbasis entwickelt. Diese Transceiver-Chips arbeiten im Bereich von 1,6 GHz und können bestimmte Herz- und Lungenfunktionen aus einer Entfernung von rund 50 cm erstaunlich genau bestimmen. Weitere Entwicklungen auf der Basis dieser Radartechnik sind in absehbarer Zeit im Markt zu erwarten.
Zur gegenwärtigen Zeit benötigen DNA-Vergleichsanalysen aufwendige, optische Gerätschaften und einen relativ hohen Zeitaufwand, wobei dieses Verfahren sich nur mit hohen Kosten bis zu einem gewissen Grad automatisieren lässt. Eine interessante Lösung dieses Problems präsentierten Experten der Unternehmen Infineon Technologies, Siemens und der Fraunhofer Gesellschaft, und zwar in Form eines Array-Moduls mit 8 x 16 “Boxen”, gefertigt auf einem speziellen CMOS-Substrat. Das biochemische Interface übernehmen goldene Elektroden. Der Chip verfügt zudem über alle Auswahl- und Bestimmungsschaltungen, die jede “Box” zur Vergleichsanalyse benötigt. Die notwendigen Schaltungen beherrschen einen Dynamikbereich von fast sechs Größenverhältnissen und müssen gleichzeitig für Ströme im Bereich von pA und wenigen µA ausgelegt sein. Diese Chipentwicklung ist ein wichtiger Schritt in Richtung schneller und kostengünstiger DNA-basierender Diagnosen in Krankenhäusern, Kliniken sowie zum Beispiel bei der Qualitätskontrolle von Nahrungsmitteln.

Hohe Audioqualität ? auch mobil
Tragbare Geräte, wie zum Beispiel Mobiltelefone, PDAs und MP3-Player, müssen in Sachen Audioqualität immer höheren Ansprüchen gerecht werden ? aber der Lautsprecher sollte dabei möglichst klein bleiben. Die Verstärker der Klasse D sind eigentlich eine gute Lösung, aber die Ausgangsfilterung führt zu höheren Herstellungskosten. Außerdem kann es mit der hier unvermeidlichen elektromagnetischen Strahlung zu weiteren Problemen kommen.
Während der ISSCC wurde von Ingenieuren der Fairchild Semiconductor die interessante Variante einer bekannten Problemlösung vorgestellt. Deren Vorschlag, genannt AQC, verwendet unter anderem die adaptive Steuerung des Ruhestromes in einer Ausgangsstufe der Klasse AB, basierend auf der dynamischen Messung des Ausgangs-Klirrfaktors. Das Ergebnis ist ein 1-W-Verstärker mit einem Klirrfaktor unter 0,3 Prozent, der 5 V Betriebsspannung benötigt und mit einer 8 ? Last betrieben wird. Der signalfreie Ruhestrom des gesamten Chips beträgt nur 2,5 mA. Bei einer Ausgangsleistung von 700 mW, verbraucht der 1,6 x 1,8 mm große Verstärker nur 650 mW. Implementiert wurde der Chip mit einer 0,8 mikron 10 V BiCMOS-Technik, die eine Betriebsspannung bis 2,6 V zulässt.

Geschwindigkeit ist alles ?
Agilent Technologies stellte einen CMOS 8-bit ADC mit 4 GSa/s vor. Diese Sampleleistung ist eine rund zwanzigfache Steigerung gegenüber bisherigen Schaltungen, obwohl ein relativ konservativer 0,35 µm Fertigungsprozess verwendet wird. Die Entwicklung derartiger ADCs ist von besonderer Wichtigkeit für die Konzipierung sehr schneller Testgeräte und -systeme. Bei Gleichstrom erzielt dieser ADC eine Genauigkeit von sieben effektiven bits; und 6,1 effektive bits bei einem Eingangssignal von 1 GHz. Der Leistungsverbrauch stellt sich dann auf nur 4,6 W. Sowohl von Samsung als auch Toshiba stellten bei der ISSCC erstmals 1 Gbit NAND-Flashspeicher vor. Samsung fertigt seinen 1,8-V-Speicher mit einem 0,12 µm Prozess, während Toshiba seine 3-V-Version mit 0,13 µm herstellt. Bisher angekündigte Flashspeicher mit derart hohen Speicherkapazitäten speicherten 2 bits pro Speicherzelle, während die neuen nunmehr 1 bit/Zelle aufnehmen. Hinzu kommt, dass die beiden neuen Flashspeicher außerdem 32-Transistor NAND-Stacks aufweisen, wodurch die Effektivität der Speicheranordnung wesentlich erhöht wird. Durch Hinzufügen von Schreib/Lese-Seitenpuffern erzielen die Speicher auch einen höheren Datendurchsatz per Pipelining.

http://www.isscc.org