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Technische Universität Berlin Institut für Mikroelektronik Lukas Bauer 3. Kapitel Dissertation Perspektiven des modernen ASIC-Designs Gegenwärtige technologische und wirtschaftliche Randbedingungen 3.1 Technologischer Fortschritt 3.1.1 Wachstumsgesetze der Mikroelektronik Kapitel 3 Seite 14 Das exponentielle Wachstum der Mikroelektronik, das seit vier Jahrzehnten etwa alle fünf Jahre zu einer Verzehnfachung der Schaltungskomplexitäten führt, ist nicht nur eine faszinierende Entwicklung, die in anderen Industriezweigen oder an den Wertpapierbörsen vergeblich auch nur annähernd Vergleichbares sucht. Das Wachstum stellt auch eine Gesetzmäßigkeit dar, die es erlaubt, bereits während der Konzeptionsphase eines Produktes abzuschätzen, welcher Funktionsumfang sich bei Produktionsbeginn, also etwa sechs bis zwölf Monate später, in einem ASIC integrieren lassen wird. Prediction is very difficult, especially about the future. Niels Bohr Angesichts einer Wachstumsrate von fast 60% per anno ist es für den Geschäftsmann durchaus ein signifikanter Unterschied, ob er für die Kalkulation und Produktdefinition aktuelle Komplexitätswerte zugrundelegt oder ob er den voraussichtlichen technologischen Fortschritt während der Entwicklungszeit mit einplant. Im Folgenden sollen daher die Wachstumstrends der Mikroelektronik untersucht werden, und es soll dargestellt werden, warum die Annahme eines in naher Zukunft weiterhin konstanten Wachstums im ASIC-Geschäft gefahrlos möglich erscheint. Bereits 1965 formulierte Intel-Mitbegründer Gordon Moore das wohl wichtigste Wachstumsgesetz der Mikroelektronik, das nach ihm benannte Moore’sche Gesetz [53], demzufolge sich die Komplexität integrierter Schaltungen jedes Jahr verdoppelt. Die wenigen Daten der noch sehr jungen Entwicklung extrapolierte er damals zwar etwas zu optimistisch – im langjährigen Durchschnitt wuchsen die Komplexitäten bis heute etwa alle 18 Monate um den Faktor zwei – doch erkannte Moore früh den exponentiellen Charakter des Wachstums. Andere Analysten untersuchten später die Performance von Mikroprozessoren und vermeldeten noch spektakulärere Ergebnisse. Hierbei muss aber berücksichtigt werden, dass bei Prozessoren eine Vermischung von Schaltzeiten der Gatter und Zugriffszeiten der Speicher stattfindet, die unterschiedlichen Wachstumsraten folgen, und dass die Architekturprinzipien der Mikroprozessoren starken Änderungen unterliegen. Eine unverfälschte Aussage über den technologischen Fortschritt ist daher nur bei Betrachtung der Einzelparameter möglich, von denen nun diejenigen untersucht werden sollen, die für das ASIC-Design aus technischer Sicht relevant erscheinen; die Kostenentwicklung wird dann in Abschnitt 3.2 dargestellt. Die Abbildungen 3-1 bis 3-15 auf Seite 16 bis 19 wurden generiert, indem aus der Literatur Diagramme und Einzelwerte zur historischen Entwicklung der betrachteten Parameter entnommen, um aktuelle Daten ergänzt und gemeinsam mit den Zielvorgaben der „SIA Roadmap“ [1], [2], [3], [4] in jeweils einem Diagramm dargestellt wurden. Die Vorgaben der SIA, einer internationalen Vereinigung von Halbleiterherstellern, haben dabei fast den Charakter von selbsterfüllenden Prophezeiungen, da die einzelnen Unternehmen enorme Summen investieren, um die Vorgaben
Technische Universität Berlin Institut für Mikroelektronik Lukas Bauer Dissertation Perspektiven des modernen ASIC-Designs Kapitel 3.1 Seite 15 einzuhalten oder gar zu überbieten. Tatsächlich zeigt sich im Vergleich der Roadmaps von 1994 bis 1999, dass die wesentlichen Ziele stets höher gesteckt bzw. zeitlich nach vorne verschoben werden mussten. Durch die gemeinsame Darstellung historischer, aktueller und prognostizierter Werte werden in den Diagrammen teilweise sehr lang anhaltende Trends sichtbar. Die Darstellung erfolgt überwiegend im logarithmischen Maßstab, wodurch das exponentielle Wachstum mit langjährig konstanten Wachstumsraten deutlich wird. In den Abbildungen 3-1 und 3-2 wird zunächst das Wachstum der Schaltungskomplexitäten gezeigt. Dargestellt werden die Größe von DRAMs in Bits und die Transistorzahl von Mikroprozessoren, die das klassische Untersuchungsobjekt des Moore’schen Gesetzes sind. Die beliebteste Formulierung für das Wachstum der DRAM-Größen, die eine Vervierfachung alle drei Jahre hervorhebt, orientiert sich dabei an der historisch bedingten Schrittweite des Speicherwachstums: Aufgrund des Multiplexens von Reihen- und Spaltenadressen in einem DRAM erlaubt eine Erweiterung um eine Adressleitung sofort eine Vervierfachung der Speichergröße. Da Drei-Jahres-Abstände auch produktionstechnisch sinnvoll sind, hat sich diese Schrittweite bis heute etabliert. Die Grundlage des Wachstums ist dabei die technologische Weiterentwicklung der Lithographieprozesse, die zu einer Verringerung der Strukturbreite, d. h. der Kanallänge der Transistoren (Abbildung 3-3) führt. Da sich viele andere Geometriegrößen wie z. B. die Metallisierungsabstände (metal pitch) in etwa proportional zur Strukturbreite ebenfalls verkleinern, steigt die erreichbare Zelldichte quadratisch mit dem Kehrwert der Kanallänge an (Abbildung 3-4). Die vergrößerte Zelldichte kann das Wachstum der Schaltungskomplexitäten jedoch nicht allein erklären. Einen weiteren Beitrag liefert eine stetige Vergrößerung der Chipflächen (vgl. Abbildung 3-5). Dabei erlaubt die höhere Dichte allein einen Komplexitätsanstieg bei DRAMs von 32% p. a. 1 , der zusammen mit dem Flächenwachstum von 20% p. a. zu einem Gesamtanstieg der Speichergröße von 58% p. a. 2 entsprechend Abbildung 3-1 führt. Möglich wird das Flächenwachstum in erster Linie durch eine drastische Verringerung der Defektdichte bei der Fertigung. Um 1975 lag der Yield eines 20mm 2 -Chips noch bei ca. 60%. Rechnet man diesen auf einen heutigen 400mm 2 -Speicherchip um, ergäbe sich eine Ausbeute von nur noch 0,6 20 ≈ 0,0037%, die jede wirtschaftliche Produktion unmöglich machen würde. Durch extreme Reinraumbedingungen und die weitgehende Automatisierung konnte die Defektdichte aber so stark reduziert werden, dass sich das dargestellte Flächenwachstum bei gleichzeitig noch vergrößertem Yield erreichen ließ. Die treibende Kraft der dargestellten Entwicklungen waren lange Zeit die hochvolumigen Standardprodukte, allen voran Speicher und Mikroprozessoren, in deren Kielwasser die ASICs nur verzögert vom technologischen Fortschritt profitierten. In den vergangenen Jahren haben ASICs aber, wie Abbildung 3-3 deutlich zeigt, zu den Speichern aufgeschlossen und stellen heute gemeinsam mit den Mikroprozessoren die Technologietreiber dar. In den Abbildungen 3-6 bis 3-15 auf Seite 16 bis 19 wurde die Entwicklung weiterer Parameter dargestellt, auf die erst im weiteren Verlauf dieser Arbeit Bezug genommen wird. Der Übersichtlichkeit wegen wurden sie aber gemeinsam in diesem Kapitel gesammelt. So zeigt Abbildung 3-6 das Wachstum der Anschlusszahl von IC-Gehäusen, das vor allem auf die vergrößerte Busbreite paralleler Speicherinterfaces zurückzuführen ist. 1. Längenreduktion 13% p. a. aus Abbildung 3-3; 1 / 0,87 2 ≈ 1,32 2. 1,32 ⋅ 1,20 ≈ 1,58
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