Die Relevanz der Versorgungssicherheit für grundlegende Halbleiterchips

Warum Prozessknoten mit 45–130 nm wichtig sind

Heute können auf einem einzigen Chip Millionen von Transistoren entwickelt werden. Je dichter diese gepackt werden, desto kleiner ist der benötigte Prozessknoten. Bei einigen Fertigungsprozessen kommen Knoten mit einer Größe von 5 nm und weniger zum Einsatz.

In den meisten Elektrogeräten, die wir täglich nutzen, sind aber oftmals noch grundlegende analoge und eingebettete Halbleiter im Knotenbereich von 45 bis 130 nm eingebaut. 

„In nahezu jedem elektronischen System, vom Auto über Industrieanwendungen bis hin zu den Platinen in Notebooks und Smartphones ist ein breites Spektrum an Halbleitern anzutreffen, die meistens nicht die kleinsten Geometrien verwenden und dies aber auch nicht müssen", erklärt Hagop Kozanian, Senior Vice President bei Texas Instruments. „Die Mehrzahl kann mit Prozesstechnologie, bei der Knoten ab 45 nm aufwärts zum Einsatz kommen, eine optimale Leistung erreichen. In vielen Entwicklungen für Analogteile kann die bloße Verkleinerung der Knoten die Leistung sogar verringern sowie den Preis steigen.“

Die richtigen Tools 

Für analoge Signalketten und Leistungskomponenten ist der Wettbewerb um den kleinsten Knoten nicht sinnvoll. Stattdessen müssen für eine optimale Vermarktung der Komponenten diejenigen Methoden und Technologien eingesetzt werden, die für das jeweilige Bauteil am besten geeignet sind.

„In der Halbleiterbranche brauchen Sie für die verschiedenen Einsatzanforderungen eine Vielzahl spezieller Chips. Für die meisten Chips ist die Knotengröße nur von oberflächlicher Bedeutung“, erklärt Kozanian. „Dank unseren Investitionen in Prozesstechnologien zwischen 45 und 130 nm können wir auch bei höheren Spannungen hohe Präzision liefern. Dies wiederum ermöglicht eine optimale Leistungsfähigkeit bei Einsatzbereichen wie bei Signalen für Radaranlagen und Satelliten, darüber hinaus können wir die Hochleistungsserver deutlich leistungsstärker machen.“

Das Verhältnis zwischen Spannung und Knotengröße ist kompliziert. Chips für die kleinsten Knotengrößen laufen normalerweise nur mit einem Bruchteil der Spannung, die noch vor wenigen Jahren dafür benötigt wurde. Bei analogen Sensorteilen bedeuten kleinere Knoten zum Beispiel, dass zur Umwandlung der Signale mehr technische Bauteile benötigt werden. Dies erhöht jedoch das Potenzial für Fehler und Verzögerungen. 

„In zahlreichen Einsatzgebieten der Industrie und Automobilbau wollen wir aber auf größeren Knoten arbeiten, um die Geräte mit höheren Spannungen unterstützen. Diese Geräte sorgen für eine effiziente Leistungsabgabe und senken gleichzeitig die Menge an Kupferverdrahtung im System“, erklärt Sameer Pendharkar, Vice President Advanced Technology Development.

Die voll integrierten Mikrocontroller von TI mit digitaler Signalverarbeitung werden durch unsere Investition in die Herstellung von 45-nm-Knoten speziell für diese Produkttypen ermöglicht. 

„Unsere Prozessknoten sind für unsere Produkte optimiert. In einem typischen Mikrocontroller, Wireless- oder Radargerät von TI werden über 60 % der Oberfläche von analogen und RF-optimierten Transistoren eingenommen. Diese Transistoren werden nicht zusammen mit der digitalen Transistorgeometrie der Prozessknoten immer kleiner. Deshalb sind mit einem kleineren Prozessknoten auch keine deutlichen Vorteile verbunden“, ergänzt Amichai Ron, Senior Vice President, Embedded Processing. „Es würde nur den Preis für das Gerät in die Höhe treiben, ohne dass damit für unsere Kunden Leistungsvorteile verbunden wären.“

Sinnvolle Investitionen

Eine Führungsrolle in den Prozessknoten 45nm - 130nm erfordert die Entwicklung und das Eigentum an Prozesstechnologien,die für unsere Produkte einzigartig sind. 

Gleichzeitig muss auch die Kapazität bereitstehen, wenn der Kunde diese benötigt. 

„In Branchen wie dem Automobilbau und der Fertigungsindustrie benötigen Kunden langlebige Produkte – nicht nur für ein paar Jahre, sondern für Jahrzehnte“, erklärt Amichai. „Durch Investitionen in unsere Technologien, Prozesse und Werke gewährleisten wir, dass wir über viele Jahre hinaus die grundlegenden Halbleiterchips zuverlässig liefern können.“

TI ist heute einer der wenigen Halbleiterproduzenten, die Investitionen in 300-mm-Wafer auf die Herstellung von Chips von 45–130 nm erweitern, und der Einzige, der unter seinem Dach einen kompletten Produktlebenszyklus von der Entwicklung bis zur Auslieferung unterstützen kann. 

Unsere Investitionen umfassen: 

Gesteigerte Kapazität für 300-mm-Wafer: Chips werden zunächst als Schaltung auf einem großen Silizium-Wafer gefertigt, aus dem anschließend die einzelnen Chips ausgeschnitten, zusammengestellt und verpackt werden. Mit unseren aktuellen Investitionen in sieben neue Fabriken für 300-mm-Wafer schaffen wir die Größenordnungen, Effizienz und Qualität, um auch in den kommenden Jahrzehnten das weitere Wachstum der Halbleiterbranche zu unterstützen. Die 300-mm-Wafer sind die größten und modernsten, die in der Branche zu bekommen sind, und bieten Raum für doppelt so viele Chips wie ein 200-mm-Wafer. Die Produktion von mehr 300-mm-Wafern ermöglicht somit einen höheren Ausstoß bei geringerem Energie- und Wasserverbrauch pro hergestelltem Chip, außerdem weniger Kosten und Abfall. 

Optimale Prozesstechnologien: Die fortlaufenden Investitionen in die Fertigung von 300-mm-Wafern erfolgen parallel zu unseren eigenen Prozesstechnologien. Unsere Technologien für Prozessknoten mit 45–130 nm wurden speziell für unsere Produkte entwickelt, sodass wir u. a. höhere Leistung, bessere Leistungsdichte, geringere Stromaufnahme sowie kleinere Größen anbieten können. Damit sind wir in der Lage, die innovativsten Produkte zu einem optimalen Preis-Leistungsverhältnis bereitzustellen.

Erhöhte Montage- und Prüfkapazitäten: Darüber hinaus besitzen und betreiben wir Montage- und Prüfeinrichtungen überall auf der Welt, mit denen wir geografisch breit aufgestellt sind und unsere Lieferketten besser kontrollieren können. Wir investieren einerseits in die Steigerung unserer Montage- und Prüfkapazitäten, erhöhen aber andererseits auch die Verfügbarkeit unserer Fertigungsabläufe an mehreren Standorten, um unsere Kunden zuverlässig zu versorgen. 

Chipherstellung der nächsten Generation: Anders als viele andere Halbleiterhersteller, die ihre gesamte Waferproduktion zur Weiterverarbeitung an Dritte bzw. externe Montage- und Prüfeinrichtungen liefern (OSAT), erfolgt bei der Mehrheit unserer Produkte die Montage bei uns im Haus. Dabei umfasst unser Angebot Tausende von Standard- und erweiterten Packaging-Varianten, die für die Größe der jeweiligen Lösung, Benutzerfreundlichkeit und Leistung optimiert sind. 

„Diese Investitionen sichern unsere Versorgung und bieten daher die passenden Technologien für unsere Produkte“, erläutert Sameer Pendharkar. „Und wir sind bereit, feinere Prozess-Geometrien zu unterstützen, wenn der Markt dies erfordert.“

Die Gewährleistung der Versorgung einer wachsenden und florierenden Branche 

Mit unseren Investitionen wollen wir bis 2030 mehr als 90 % der Produktion, Montage und Prüfung unserer Wafer unter unserem Dach versammeln. Indem wir unsere eigenen Produktionsstätten betreiben, können wir unsere Lieferkette besser kontrollieren und unseren Kunden in aller Welt eine bessere Versorgungssicherheit garantieren.

„Diese Strategie, und das Engagement für Innovationen in der Fertigung am Sweet Spot für grundlegende Halbleiter sind unverzichtbar, um ein breites Portfolio an innovativen Produkten mit dem optimalen Maß an Kosten, Leistung, Stromverbrauch, Präzision und Spannung anbieten zu können“, erklärt Pendharkar.