Motivation

Motivation zu diesem Projekt

Komplexe, nanoelektronische Systeme werden in unserem tĂ€glichen Leben zu einem immer wichtigeren Faktor. Sie sind verborgen in vielfĂ€ltigen Produkten und ermöglichen mannigfache Funktionen. Computer, Mobiltelefone, und Elektronik im Auto sind zu einem festen Bestandteil im tĂ€glichen Leben geworden. So haben nanoelektronische Systeme die VerĂ€nderungen der letzen Jahre in der Daten-, Kommunikations- und Automobiltechnik stark geprĂ€gt. Der Benutzer erwartet von diesen Systemen, dass sie – auf die jeweiligen Situationen angepasst – ihre Funktion zuverlĂ€ssig und sicher erfĂŒllen. Diese Anforderungen nach ZuverlĂ€ssigkeit und Sicherheit stehen der wachsenden KomplexitĂ€t nanoelektronischer Systeme gegenĂŒber.

Durch eine permanente Reduzierung des Stromverbrauchs sowie durch neue technologische Integrationstechniken erleben wir stetig neue Anwendungsmöglichkeiten und eine beispiellose Miniaturisierung von elektronischen Produkten: Bis heute wird von Mikroelektronik und deren mikroelektronischen Systemen gesprochen, obwohl es sich lĂ€ngst um Nanoelektronik und nanoelektronische Systeme handelt. Mit ihren analogen Ein- und AusgĂ€ngen ermöglichen sie die Kommunikation mit dem Menschen, die Verbindung zu nichtelektrischen Signalen sowie die effiziente Übertragung durch Funk. Durch ihre digitalen Prozessoren und Datenspeicher verwirklichen sie eine unvorstellbar leistungsfĂ€hige Datenverarbeitung, z.B. sind neueste MobilfunkgerĂ€te in der Lage Videos abzuspielen. Allein die Nanoelektronik bietet das Potenzial, um weiterhin den Leistungshunger bei Multimedia- und Spiel-Applikationen zu befriedigen.

Die Hersteller der nanoelektronischen Systeme sind in der Halbleiter-Industrie zu finden. Nanoelektronische Systeme sind hochintegrierte Bausteine. Sie werden als „Systeme auf einem Chip“ (System on a Chip, SoC) bezeichnet und bilden die Basis fĂŒr die Innovation in der Nanoelektronik. Die Miniaturisierung der SoCs bringt zwar viele Vorteile mit sich, aber auch große Herausforderungen und Fragestellungen verbunden mit technischen und wirtschaftlichen Risiken, auf die Antworten gegeben werden mĂŒssen

  • Hat man noch die FĂ€higkeiten Produkte in neuen Technologien fehlerfrei zu entwerfen?
  • Ist die GrĂ¶ĂŸe der Entwurfteams noch ausreichend?
  • Wie lange dauert es ein System bis zur Marktreife zu entwerfen?
  • Kann die nationale Nanoelektronik-Industrie die Produkte entwerfen, die zur Absicherung wichtiger deutscher MĂ€rkte notwendig sind?

Die Halbleiter-Industrie bewegt sich damit in einem Bereich, der sich durch höchste Anforderungen, KomplexitĂ€t, Kurzlebigkeit der Produkte und extremen Kostendruck auszeichnet. Um sich hier zu behaupten, ist ein zuverlĂ€ssiger Entwurfsprozess eine entscheidende Voraussetzung. Dieser zuverlĂ€ssige Entwurfsprozess kann aber nur zur VerfĂŒgung stehen, wenn die Anstrengungen, die zur QualitĂ€tssicherung unternommen werden mĂŒssen, in Zukunft noch weiter gesteigert werden. Dies gilt – neben Konsum- und Kommunikationsprodukten – insbesondere fĂŒr sicherheitsrelevante Anwendungen, wie sie in der Automobiltechnik eingesetzt werden.

 

MĂ€rkte in Deutschland

FĂŒr Deutschland ist einer der wichtigsten MĂ€rkte der Automobilmarkt. FĂŒr die Halbleiter-Industrie ist dieser Markt besonders wichtig, da er kontinuierlich hohe Wachstumsraten aufweist und damit großen Umsatz- und Gewinnschwankungen anderer MĂ€rkte ausgleichen kann. Die Wertschöpfung von nanoelektronischen Systemen im Auto liegt dabei bis zu 40 % in der Oberklasse, wobei Prognosen bis 2010 dies als Durchschnitt in der Automobiltechnik fĂŒr möglich halten [Gr03]. Innovationen erfolgen schon jetzt in der Automobiltechnik in Verbindung mit der Nanoelektronik. Hier sind die Bereiche Infotainment, fahrerunterstĂŒtzende Maßnahmen, ZuverlĂ€ssigkeit und Sicherheit hervorzuheben [Sc03]. Sie ermöglichen der Industrie sich insbesondere im Premiumsegment von anderen Wettbewerbern zu differenzieren. Exemplarisch kann das Oberklassemodell von VW mit seinen untereinander vernetzten elektronischen SteuergerĂ€ten genannt werden.

Die Selbstverpflichtung der europĂ€ischen Mitgliedsstaaten zur Halbierung der Anzahl der Unfalltoten [EU01] wird die Anwendungen von SoC-Produkten beschleunigen, um der Anforderung nach mehr Sicherheit im und am Auto nachkommen zu können. Technische Maßnahmen können nur mit UnterstĂŒtzung von nanoelektronischen Systemen Erfolge bei der UnfallbekĂ€mpfung zeigen. Daher sind die Ziele in Deutschland – außer mit einer drastischen Geschwindigkeitsbegrenzung – nur mit massivem Einsatz von nanoelektronisch gestĂŒtzten Fahrerassistenzhilfen möglich. So hat laut Statistischen Bundesamt ein falscher Reifendruck im Jahre 2002 rund 25 Prozent der VerkehrsunfĂ€lle verursacht. Elektronische Reifendruck-Sensoren können hier zusĂ€tzlich Sicherheit schaffen.

Bei der Automobilzulieferindustrie kommen 4 der 7 bedeutendsten Zulieferer aus Deutschland (Infineon, Bosch) oder Europa (STM, Philips). Der Umsatz im Jahre 2002 belief sich dabei insgesamt auf 11,5 Mrd. Dollar. Dies verdeutlicht die starke Position, die deutsche Zulieferer zurzeit einnehmen und auch in Zukunft einnehmen sollen.

Ein von einer deutschen Firma beherrschter Markt sind Sicherheits- und Smartcards-ICs. Hier dominiert Infineon den weltweiten Markt mit 37,2 % [MT03-24]. Gefolgt von Philips (13,2 %) und STM (12,7 %) wird hier die europĂ€ische Dominanz unterstrichen. Mit 1,06 Mrd. Dollar ist das Marktvolumen zwar nicht groß, ist aber in vielen Massenprodukten zu finden (Beispiele: intelligente Kreditkarten, Mobilfunktelefon, elektronische SchlĂŒsselsysteme). Durch den Zuwachs an mobilen Anwendungen und der schnellen und sicheren Authentifizierung wird die Bedeutung von Sicherheit-ICs in Zukunft stark wachsen. Zur Erreichung der Systemkompetenz im Automobil- und Kommunikationsmarkt ist dies ein notwendiges Know-how. Nanoelektronische Produkte, die die Barcodes ablösen, stellen ein gewaltiges Potenzial dar. Sie könnten eine neue QualitĂ€t des Einkaufens und des Warenflusses ermöglichen.

 

Sicherheit und ZuverlĂ€ssigkeit: Die Tugenden zukĂŒnftiger SoCs?

Die Anforderungen an Sicherheit und ZuverlĂ€ssigkeit steigen, wenn nanoelektronische Produkte fĂŒr immer neue Anwendungen im Auto eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist eine der großen Schwachstellen beim Schaltungsentwurf die ÜberprĂŒfung der implementierten FunktionalitĂ€t der komplexen Systeme. Als prominentes Beispiel einer VerifikationslĂŒcke beim Chip-Entwurf kann der als Pentium-Bug bezeichnete Fehler der Firma Intel genannt werden [Fi97]. Die Firma hatte einen massiven Gewinneinbruch in dem Jahr, in dem ein eklatanter Fehler in bereits ausgelieferten Pentium-Prozessoren festgestellt wurde, der auf eine VerifikationslĂŒcke zurĂŒck zu fĂŒhren war.

Simulationstechniken reichen nicht aus, um Entwurfsfehler wie den Pentium-Bug aufzudecken. Eine Simulation prĂŒft exemplarisch mit ausgewĂ€hlten Daten, ob eine arithmetische Operation ausgefĂŒhrt werden kann. Alle möglichen arithmetischen Operationen in modernen Schaltungen auszufĂŒhren hieße, dass die Simulationen Monate oder gar Jahre benötigen, was inakzeptabel ist. Eine Verifikation hingegen kann prĂŒfen, ob in allen möglichen FĂ€llen die arithmetische Operation richtige Ergebnisse liefert. Sie kann darĂŒber hinaus Gegenbeispiele liefern, an welcher Stelle der Schaltungsentwurf versagt. Solche Berechnungen können schon nach wenigen Minuten oder Stunden abgeschlossen sein. Dies verdeutlicht, dass die Verifikation eine entscheidende Komponente beim Schaltungsentwurf ist, deren Auswirkungen ĂŒber Verlust oder Gewinn einer Firma entscheiden.

Die KomplexitĂ€t des Entwurfsprozesses – bedingt durch die Miniaturisierung der nanoelektronischen Strukturen – wĂ€chst stark an. Neben der oft fehlenden Kompetenz solche komplexe Systeme ĂŒberhaupt entwerfen zu können, werden die ausufernden Kosten fĂŒr den SoC-Entwurf zu einem weiteren großen Problem. Hinzu kommt, dass die Einmal-Kosten zur Produktionsvorbereitung bei neuen Technologien einen großen Kostenanteil bei der Produktentwicklung ausmachen. Sie wachsen mit dem Einsatz neuester Lithographieverfahren so stark an, dass ein Re-Design des Produkts zusammen mit der zusĂ€tzlichen Lieferverzögerung ein großes finanzielles Risiko bedeutet. Es ist daher bereits beim ersten Entwurf von entscheidender Bedeutung, jeden Fehler zu vermeiden, der ein Re-Design erfordern wĂŒrde (First-Time-Right). Notwendig dazu sind neue und umfassendere Lösungen in allen Bereichen der Verifikation. Diese Problematik wird noch dadurch verschĂ€rft, dass in den oben beschriebenen MĂ€rkten höchste Anforderungen an die EntwurfsqualitĂ€t der Nanoelektronik gestellt werden: Die Verifikation entwickelt sich zur Achillesverse des SoC-Entwurfs.

Eine geschlossene Lösung zur Verifikation komplexer SoCs ist auch Jahre nach dem Pentium-Bug nicht auf dem EDA-Markt verfĂŒgbar. Es gibt nur punktuelle Lösungen, die einen reduzierten Bereich eines SoC-Entwurfs verifizieren. Um fĂŒr die oben beschriebenen Probleme Lösungen anbieten zu können, mĂŒssen auf allen Ebenen des Schaltungsentwurfs innovative und umfassende Verifikationsmethoden erforscht werden. Zur Erhöhung der Sicherheit und ZuverlĂ€ssigkeit der Nanoelektronik ist dabei der Einsatz der richtigen Verifikationsverfahren beim SoC-Entwurf der SchlĂŒssel zum Erfolg. Dabei sollen durch die Erhöhung der ProduktivitĂ€t die Entwurfskosten und -zeit der SoCs reduziert werden.