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27.01.2016 | Signalverarbeitung | Im Fokus | Onlineartikel

So verhindern Sie das Altern moderner ICs

Autor:
Andreas Burkert

 

Die Lebensdauer integrierter Schaltkreise hängt sozusagen am seidenen Faden. Wegen der extremen Miniaturisierung führen quantenmechanische Effekte zu unerwünschter Alterung. Die aber lassen sich bereits im Entwurf vermeiden.

Aus Angst vor einem frühzeitigen Ausfall moderner integrierter Schaltkreise (ICs) werden diese oftmals nur noch halb so schnell betrieben wie eigentlich möglich. Denn wegen der seit Jahrzehnten andauernden Miniaturisierung stößt diese Technik allmählich in atomare Dimensionen vor, in denen quantenmechanische Effekte zu neuartigen Problemen führen, die sich als Alterungseffekte zusammenfassen lassen. Spielten für die Zuverlässigkeit eines Systems bisher nur Herstellungsvariationen und plötzliche Ausfälle nach sehr langer Betriebszeit eine Rolle, haben neueste Systeme die Tendenz, sich über Jahre hinweg in ihren Eigenschaften zu verschlechtern – was zu einem frühen Versagen des Systems führt.

Techniken, die normalerweise zur Steigerung der Zuverlässigkeit genutzt werden - wie das dreifache Vorhalten aller Komponenten und der stete Vergleich zwischen diesen (triple modular redundancy) können hier kaum helfen, da alle drei redundanten Komponenten der gleichen Alterung unterworfen sind und etwa zur gleichen Zeit ausfallen werden. Zurzeit kann die Industrie diesem Problem nur mit extremen Sicherheitsmargen begegnen.

Alterungseffekte erkennen

So werden Systeme teilweise nur noch halb so schnell betrieben wie eigentlich möglich wäre, nur um sicher zu stellen, das auch die am schlechtesten hergestellten und am stärksten gealterten Systeme selbst unter widrigsten Umständen noch ihren Dienst verrichten. Das bedeutet im Rückschluss aber, dass ein großer Teil der möglichen Leistungsfähigkeit heutiger Systeme verschenkt werden muss, was die durch die Miniaturisierung gewonnenen Vorteile fast vollständig zunichte macht.

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Genau hier setzt das MoRV Projekt an, das die im Thema Alterungseffekte führenden Forschungsgruppen aus Industrie (Infineon, IMEC, Global TCAD Solutions) und Wissenschaft (TU Wien, Fraunhofer EAS, IROC, OFFIS) zusammenbringt, um eine quantenmechanische Beschreibung der Alterungseffekte anzufertigen und darauf aufbauend einfache, aber genaue Modelle für ganze Transistoren, Logikgatter und schließlich Systemkomponenten zu entwickeln. Wenn schon beim Entwurf eines Systems genau bekannt ist, wie sich dieses nach Jahren des Betriebes verhalten wird, kann es so entworfen werden, dass es sich an den gealterten Zustand adaptiert, wodurch die Sicherheitsmargen sehr viel kleiner bemessen werden können.

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