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Wie Akkus in Laptops und Smartphones länger durchhalten - "CoolEnergy" liefert neuartige Bauteile

29.07.2014

Im Spitzencluster Cool Silicon entstehen im Projekt „CoolEnergy“ neuartige Bauteile, die die Akkulaufzeit von mobilen Geräten um 30 Prozent erhöhen

Internetfähige Notebooks, Smartphones und Tablet-PCs gehören zum Alltag – der Ärger, den Akku bei häufigem Gebrauch sehr oft aufladen zu müssen, leider auch.

Wie man den Energiebedarf von mobilen Endgeräten senken und damit die Akkulaufzeit verbessern kann, daran haben die Partner des Projektes „CoolEnergy“ erfolgreich geforscht. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Spitzenclusters für energieeffiziente Informations- und Kommunikationstechnologie „Cool Silicon“ entwickelten GLOBALFOUNDRIES Dresden, das Advanced Mask Technology Center (AMTC), X-FAB Dresden und das Zentrum für Mikroelektronik Dresden (ZMDI) gemeinsam mit Forschern des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS)/ Institutsteil Entwurfsautomatisierung (EAS), der Technischen Universität (TU) Dresden, der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Dresden und der NaMLab gGmbH zukunftsweisende Prozessoren und Hochleistungschips.

„Dank der neuen Technologie können wir den Stromverlust von Chips signifikant reduzieren und damit wertvolle zusätzliche Akkulaufzeit erreichen“, erklärt Cool Silicon-AREA1-Leiterin für Mikro- und Nanotechnologien und Projektleiterin CoolEnergie  Dr. Sabine Kolodinski von GLOBALFOUNDRIES Dresden. Das Projekt war eines der drei Leitvorhaben des sächsischen Spitzenclusters und wurde über eine Laufzeit von insgesamt fünf Jahren gefördert. 

Um die Energieeffizienz von Computing-Plattformen wie Laptops oder Smartphones, High-Performance-Computern, Videospielkonsolen, Netzwerkkomponenten und mobilen Anwendungen zu erhöhen, richteten die Projektpartner ihren Fokus auf die Entwicklung energieeffizienter Technologien und die Verbesserung der Lithographiemasken im Chipherstellungsprozess.  

Weniger Leckströme = höhere Energieeffizienz

Für diese sogenannte High-k-Metal-Gate (HKMG)-CMOS-Technologie haben die Chipspezialisten von GLOBALFOUNDRIES  neue hocheffiziente Transistoren entwickelt. Eingesetzt auf Chipstrukturgrößen von 32 und 28 Nanometern reduziert diese Technologie die auftretenden Leckströme signifikant. Bestimmt werden die Leckströme des Chips durch das Zusammenspiel aller Transistoren aber auch durch den einzelnen Transistor. Modellrechnungen der HTW Dresden analysierten die neuen Transistorgeometrien. Charakterisiert und untersucht wurde das Verhalten der entwickelten Transistoren durch eine Messmethode, die das NaMLab in Dresden entwickelt hat. 

„Wie ein tropfender Wasserhahn zu einer Verschwendung von Wasser führt, führen Leckströme in Halbleiterchips zu einer Verschwendung von Energie. Mit der neuen HKMG-CMOS-Technologie ist es nun möglich, bei gleichbleibender Leistung die Leckströme eines Transistors innerhalb eines Mikroprozessors je nach Transistortyp um den Faktor 200 bis 1000 zu reduzieren“, erläutert Dr. Kolodinski das Prinzip. „Damit lässt sich beispielsweise die Laufzeit eines durchschnittlichen Laptops oder Smartphones um 30 Prozent im Vergleich zur Vorgängergeneration erhöhen.“ So kann durch den Einsatz dieser neuen Technologie auch der Energiebedarf von WLAN-Routern deutlich gesenkt werden. „In Europa gibt es rund 280 Millionen WLAN-Haushalte. Wenn 200 Millionen von ihnen die neue Technologie nutzten, würde der Energiebedarf jährlich so stark sinken, dass sich allein für den beschriebenen Anwendungsbereich die Leistung eines durchschnittlichen Kernkraftwerkes(600 Megawatt)   einsparen ließe“, so die Projektleiterin.  

Präzise Masken und Chipdesigns für Halbleiterchips der neuesten Generation

Die Experten für Lithographiemaskentechnologie von AMTC verbesserten dank eines modularen Analysesystems die Lithographiemasken für die Chipherstellung. „Damit wurde die Gleichmäßigkeit der Strukturen verbessert und die Linienrauigkeit auf der Maske um 24 Prozent im Vergleich zur Vorgängerplattform vermindert“, so Dr. Markus Bender vom AMTC weiter. „Durch gleichmäßigere Chipstrukturen werden gleichzeitig die Leckströme verringert.“ 

Wie die energieeffizienten Chips aufgebaut sein müssen, haben die Forscher am Fraunhofer IIS/EAS erforscht. Sie entwickelten ein Modell zur Berechnung von elektronischen Chips, das in der Fertigung auftretende, gerade noch geduldete Toleranzen berücksichtigt. Diese können etwa durch minimal inhomogene Temperatur im Prozessraum, ungleichmäßige Strukturlinien oder geringe Schwankungen der Versorgungsspannung im Betrieb der Chips entstehen. „Mit dem genaueren Modell können wir nicht nur die Chipqualität verbessern, sondern dank der optimierten Algorithmen auch schneller zu neuen Schaltkreisen kommen“, erläutert Dr. Manfred Dietrich, Abteilungsleiter am Institutsteil IIS/EAS. „Und man darf nicht vergessen: Selbst moderne Computer rechnen heute noch mehrere Tage an den Simulationsmodellen für die Chipproduktion. Die Cool Silicon-Methode verkürzt den Zeitraum auf ein Minimum und spart so letztlich auch wieder wertvolle Energie.“ 

Robuste Chipstrukturen für neue Laptops und moderne LED-Lampen

Ein normaler Laptop arbeitet zum Beispiel mit weniger als 3 Volt. Das heißt, die Netzspannung muss erst auf die niedrigere Spannung gewandelt  werden, auch um die empfindlichen Chipstrukturen zu schützen. X-FAB Dresden hat eine auf Energieeffizienz optimierte Hochvolt-Foundry-Technologie für Anwendungen direkt am 230V-Spannungsnetz entwickelt. Diese Technologie ist ideal einsetzbar für energiesparende Anwendungen wie LED-Beleuchtung sowie Ladegeräte und Netzteile mit geringem Standby-Stromverbrauch.  

Höchste Energieeffizienz in Chips durch ZMDIs Integriertes Digitales Power Management

Im Rahmen des Projektes „CoolEnergy“ hat ZMDI einen Chip mit einem integrierten digitalen Smart Power Management-System realisiert. Dies ermöglicht die zukünftige Entwicklung von komplexen Chips (sogenannte System on Chips, SoCs) mit integriertem Digital Power Management bei höchst möglicher Energieeffizienz. High-Speed-System-Elektronik in Telekommunikations-Switches, Netzwerk-Router, Basisstationen, Server oder Speichergeräte zeigen einen höheren Strombedarf, und zwar bei weiter zunehmender Rechenleistung. Um diesen höheren Strombedarf entgegenzuwirken, kommen für aktuelle High-Speed-Systeme immer öfter energieeffiziente Netzteile mit komplexer Steuerungstechnik zum Einsatz. ZMDIs integrierte Smart Power Management (SPM)-Technologie ermöglicht es, eine höhere Energieeffizienz in allen Ausgangslastbedingungen zu erreichen, um so die neuesten Energiestandards zu erfüllen. Gleichzeitig verbessert die Anwendung der ZMDI-SPM-Technologie in elektronischen Systemen die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen analogen Lösungen durch die Vereinfachung des Überwachungssystems für Energie-und Wärmemanagement in den Point-of-Load-(POL)- Stromversorgungen. Durch die integrierte Lösung wurde die Reaktionszeit des Spannungswandlers so verringert, dass sich durch den dynamischen Energieeffizienzgewinn je nach Ausgangslastbedingungen eine bis zu über 50-prozentige zusätzliche Energieeinsparung erzielen lässt. 

Hohe Rechenleistung bei geringeren Kosten

Wie energieeffizientes Computing in der erfolgreichen Umsetzung aussieht, zeigte das Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen (ZIH) der TU Dresden. Der CoolEnergy -Partner hat Verfahren entwickelt, die – unter Berücksichtigung der Anforderungen der jeweils ausgeführten Software – gleichzeitig die Betriebsspannung und Taktfrequenz der Prozessoren reduzieren und einzelne Rechenkerne bedarfsgerecht ab- oder zuschalten. „Mit den Forschungsarbeiten in CoolEnergy haben wir den Weg geebnet für die zielgerichtete Steuerung unserer Hochleistungsrechner und die Effizienzoptimierung der Simulations-Anwendungen, was den Energieverbrauch und damit auch die Betriebskosten deutlich reduziert“, freut sich Prof. Dr. Wolfgang Nagel, Direktor des Zentrums. 

Über die Advanced Mask Technology Center GmbH & Co.KG (AMTC):

Die Advanced Mask Technology Center GmbH & Co. KG (AMTC) ist ein Joint Venture von GLOBALFOUNDRIES Inc. und Toppan Photomasks, Inc. Das AMTC ist ein weltweit führendes Zentrum für die Entwicklung, Pilotproduktion und Fertigung von hoch entwickelten Masken für die Photolithographie. Weitere Informationen: www.amtc-dresden.com 

Über NaMLab: 

Die „Nanoelectronics Materials Laboratory gGmbH“ (NaMLab) wurde im Juli 2006 gegründet. NaMLab ist ein Tochterunternehmen und An-Institut der TU Dresden. NaMLab betreibt am Campus der TU Dresden ein Forschungsgebäude mit vier Laborräumen, einem Reinraumlabor und einem Bürobereich für über 27 Wissenschaftler und sonstige Angestellte. NaMLab betreibt Materialforschung zur Anwendung in nanoelektronischen Bauelementen und arbeitet eng mit den Instituten der TU Dresden zusammen. Weitere Informationen: www.namlab.com 

Über Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS,  Institutsteil Entwurfsautomatisierung EAS:

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS ist eine der wichtigsten deutschen Forschungseinrichtungen für die Entwicklung von mikroelektronischen Systemen. Die Wissenschaftler im Institutsteil Entwurfsautomatisierung EAS in Dresden entwickeln Methoden und Werkzeuge für den zuverlässigen Entwurf von immer komplexeren elektronischen und mechatronischen Systemen. Dadurch optimiert und beschleunigt sich die Umsetzung von Produktanforderungen in Schaltkreise, Geräte oder komplexe Sensorsysteme. Eine wesentliche Aufgabe bei allen Aktivitäten ist es, die Lücke zwischen neuartigen Herstellungstechnologien und dem Systementwurf zu schließen. Die Arbeitsergebnisse werden zum Beispiel in der Kommunikationstechnik, der Fahrzeugtechnik oder der Automatisierungstechnik eingesetzt. Weitere Informationen: www.eas.iis.fraunhofer.de 

Über GLOBALFOUNDRIES: 

GLOBALFOUNDRIES ist die erste Full-Service Halbleiter-Foundry, die mit Standorten weltweit präsent ist. Im März 2009 gegründet, hat sich das Unternehmen schnell zur zweitgrößten Foundry weltweit entwickelt, mit einer einzigartigen Verbindung von innovativen Technologien und Fertigung für über 160 Kunden. GLOBALFOUNDRIES verfügt über Produktionsstandorte in Singapur, Deutschland und den USA und ist damit die einzige Foundry, die Flexibilität und Sicherheit durch Fertigungszentren auf drei Kontinenten bietet. Die drei 300mm und fünf 200mm Werke bieten die ganze Bandbreite von Mainstream bis hin zu Spitzentechnologie-Produkten. Die Werke werden durch ein Netzwerk für Forschung und Entwicklung und Design Enablement in den Mikroelektronikzentren in den USA, Europa und Asien unterstützt. GLOBALFOUNDRIES befindet sich im Besitz von Mubadala Technology. Weitere Informationen finden Sie unter http://www.globalfoundries.com

Über HTW Dresden:

Als zweitgrößte Hochschule der sächsischen Landeshauptstadt Dresden bietet die HTW Dresden mit über 40 Diplom-, Bachelor-, Master- und zwei Fernstudiengängen an acht Fakultäten ein weit gefächertes Angebot. Die HTW Dresden ist eine Hochschule mit einem ausgeprägten ingenieur- und wirtschaftswissenschaftlichen Profil, ergänzt um künstlerische Kompetenzen, an der gegenwärtig mehr als 5.000 Studierende immatrikuliert sind. 

Über Zentrum Mikroelektronik Dresden AG (ZMDI):

Die Zentrum Mikroelektronik Dresden AG (ZMDI) ist weltweit führend bei der Entwicklung von energieeffizienten Analog- und Mixed-Signal-Lösungen. Das Unternehmen entwickelt, testet und vermarktet Standardprodukte (ASSPs) und integrierte Schaltungen (ASICs). Die ZMDI hat sich auf die Entwicklung energieeffizienter Lösungen für Automobil-, Industrie-, Medizin-, Informationstechnologie- und Verbraucheranwendungen spezialisiert. Die Produkte tragen durch spezielle Technologien und Chip-Design-Methoden sowohl aktiv als auch passiv zur Verbesserung der Energieeffizienz bei. Ein Beispiel sind Schaltkreise, die in Fahrzeugen die Start-Stopp-Funktion ermöglichen und nachhaltig den Benzin- und Energieverbrauch verringert. Weitere Informationen: www.zmdi.com 

Über Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen (ZIH): 

Das ZIH ist eine zentrale wissenschaftliche Einrichtung der TU Dresden. Als Landesrechenzentrum und Kompetenzzentrum für Paralleles Rechnen und Software-Werkzeuge ist es am Forschungsstandort Sachsen fest verankert. Durch interdisziplinäre Forschungsarbeiten und Kooperationen konnte das ZIH ein enges Netzwerk mit Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland sowie mit internationalen Forschergruppen und Industriepartnern aufbauen. Im Fokus stehen insbesondere die Unterstützung der Anwender bei der Optimierung ihrer wissenschaftlichen Programme und die Entwicklung neuer Methoden zur Lösung wissenschaftlich-technischer Forschungsfragen (E-Science). Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschung ist neben der Optimierung der erzielbaren Rechengeschwindigkeit insbesondere auch die Problematik der Energieeffizienz als strategische Einflussgröße 

Über Cool Silicon: 

Cool Silicon ist ein mehrjähriges Forschungsprojekt, das im Rahmen der Spitzencluster-Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird. Über 60 Unternehmen und Forschungseinrichtungen im Silicon Saxony haben sich in dem Projekt zusammengeschlossen, um in den nächsten Jahren Technologien zu entwickeln, die den Energieverbrauch von Mikrochips und Informationstechnologien deutlich senken sollen.  

Mehr Informationen: www.cool-silicon.de 

Weitere Informationen unter: www.spitzencluster.de 

Pressekontakt Spitzencluster Cool Silicon:

Robert Weichert, Telefon: 0351 / 50 14 02 00, E-Mail: robert.weichert@weichertmehner.com

Robert Weichert | Cool Silicon

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