Wie klein muss Mikroelektronik werden? Hardware-Herausforderungen für Intelligente Objekte

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1 Wie klein muss Mikroelektronik werden? Hardware-Herausforderungen für Intelligente Objekte Prof. Dr.-Ing. Heinz Gerhäuser Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS acatech Forum kompakt»intelligente Objekte«Berlin, 28. Mai 2009

2 Inhalt Rasante Entwicklung der Mikroelektronik Wo sind die Grenzen? Anwendungsbeispiele für intelligente Objekte Hardwareanforderungen Folie 2

3 Mikroelektronik bietet (fast) grenzenlose Möglichkeiten Folie 3

4 Schlüsselfaktoren für diese Entwicklung Digitalisierung Mikroelektronik Einheitliche Repräsentation von Sprache, Text, Musik, Graphik, Bild, Video, Daten durch Binärzahlen Datenreduktion durch Quellencodierung und Korrektur von Übertragungsfehlern durch Kanalcodierung (Fehlerraten < ) Zunehmende Taktraten (Signalverarbeitung, Rechenleistung), große Speicher Kleinere Abmessungen, höhere Integrationsdichten Geringer werdender Stromverbrauch Stetig sinkende Kosten pro Bit bzw. Transistor Drahtlose Kommunikation Orts- und Zeitunabhängigkeit für»grenzenlosen«informationsaustausch Folie 4

5 Was sagt das»moore sche Gesetz«? The number of transistors incorporated in a chip will approximately double every 24 months. Gordon Moore, erstmals am 19. April 1965 in der Zeitschrift "Electronics, korrigiert 1975 Gordon Earl Moore (* 1929 in San Francisco, USA) Mitbegründer von Fairchild (1957) Mitbegründer von Intel (1968) Chairman und CEO Intel ( ) Daraus abgeleitete Voraussagen: Steigende Rechenleistung, zunehmender Entwurfsaufwand, sinkende Kosten pro Transistorfunktion Jährliche Fortschreibung: International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Folie 5

6 Atemberaubende Prozessor-Entwicklung in 40 Jahren Jahr Strukturgröße Transist. Taktfrequenz Anschlüsse (in nm) pro Chip (MHz) (Pins) , Intel investiert 8 Mrd. $ für Fabrikumrüstung Folie 6

7 Die Kosten für die Technologie steigen rapide an Kosten eines Lithographiegeräts Die Kosten einer Chipfabrik verdoppeln sich alle 4 Jahre 10 Mrd $ in 2008 Folie 7

8 »More Moore«: weitere Entwicklung (CMOS) MOS Transistor Scaling: Faktor 0,7 pro Technologiezyklus Quelle: Intel, ITRS Roadmap 2007 Folie 8

9 »More than Moore«Integration von Nicht- CMOS-Strukturen zusammen mit CMOS: Mikromechanische Schalter und Sensoren Biosensoren HF-Schaltungen Hochvoltperipherie Quelle: Murari, ISSCC 2006 Folie 9

10 Ausblick: Größer, schneller, kleiner 450 mm In den nächsten Jahren: steigen die Si-Scheibendurchmesser auf 450 mm 10 GHz steigen die On-Chip-Taktfrequenzen auf 10 GHz schrumpfen die Transistordimensionen auf weniger als 30 nm (30 nm entsprechen dem Abstand von etwas mehr als 100 Silizium-Atomen im Kristallgitter) Bild: Intel P1264 Folie 10

11 »Nebenwirkungen«Statischer Leckstrom bei CMOS-Schaltungen nicht mehr vernachlässigbar Schrittweise Abnahme der Versorgungsspannung Kleinere Nutzsignalamplituden Parasitäre Effekte gewinnen mehr an Einfluss, größerer Einfluss von Störspannungen und Leitungskopplungen auf Signale und Logikpegel Statistische Streuung der Gatter-Verzögerungen nimmt mit abnehmender Strukturgröße zu Verändertes Verhalten von Bauelementen Folie 11

12 Engpass IC-Entwurf Steigung der Transistordichte wächst schneller als die Entwurfsproduktivität (»Design Gap«) Durch steigende Schaltungskomplexität erreichen auch die Entwurfswerkzeuge ihre Grenzen Die Einflüsse von parasitären Effekten und Parameterstreuungen auf das Verhalten der Schaltungen betrifft auch den Entwurfsablauf Höhere Toleranzen bei den Bauelementen erfordern neue Entwurfsmethoden und Entwurfswerkzeuge Folie 12

13 Anwendungsbereiche für intelligenter Objekte Orientierungshilfen Fitness- und Gesundheitsassistenz Haushalt Beruf Erleben / Lernen Freizeitgestaltung Reisen Logistik Sicherheit / Verteidigung Folie 13

14 Sensornetzwerke in der Warenlogistik Vernetzung von physikalischen Objekten untereinander Erfassen von Sensordaten aus der Umgebung Entfernen oder Manipulieren eines Objektes aus dem Gebinde kann unmittelbar detektiert und ggf. eine Alarmmeldung generiert werden Vollständige Produkterfassung während der gesamten Logistikkette (Transport, Lager, z.b. Datenerfassung bei Tordurchfahrt) Folie 14

15 Unterstützung einer selbstständigen Lebensführung durch intelligente Objekte Komfortfunktionen und Unterstützung der Benutzer in den Bereichen: Wohnen, häusliche Pflege, stationäre Pflege in Pflegeheimen, bei der Rehabilitation und Prävention zur Erhaltung der Selbstständigkeit Integration von Kommunikationstechnik, Mikroelektronik, Sensorik und Aktorik, Energiegewinnung und versorgung Bild: Folie 15

16 »Intelligente«Haustechnik Fördern einer selbstbestimmten Lebensweise: Sensorik als»augen«eines Assistenzsystems und Aktoren zur Kompensation körperlicher Defizite Displays, Lichtsignale und Beleuchtung als Sturzprävention, als Erinnerungshilfe sowie zur Signalisierung (z. B.»intelligente«Schalter, Schaffung optischer Orientierungshilfen) Personenortung und Lageerkennung im Raum zur Notfallerkennung Kommunikationstechnik als Mittel der sozialen, medizinischen und pflegerischen Vernetzung Quelle: Fraunhofer IMS Folie 16

17 Fitnessbegleiter - Mobiles Endgerät zur Kommunikation mit Therapeuten und mit Freunden, Verwandten, - Integration von Sensorik zur Bewegungserfassung und medizinischer Parameter - Speicherung und Datenvorverarbeitung im Gerät - Anzeige und Übertragung der Daten auf einen Server zur Unterstützung medizinischer Untersuchungen Prävention von Bewegungsarmut und Übergewicht durch spielerisch angebotene Übungen Folie 17

18 Echtzeit-Vital-Monitoring z.b. Messung der Atmung Funktionsweise: - Atmungsanstrengung gemessen an Bauch und Brust - Integration von Sensoren und Messtechnik in Kleidung (T-Shirts oder Babykleidung) - Funkübertragung der Messwerte an mobile Endgeräte oder PC s Einsatzgebiete: - Schlafdiagnostik, Fernbetreuung von Patienten (Telecare/Homecare) - Versorgung von Neu- und Frühgeborenen - Sport Folie 18

19 Integrierte Vital-Sensorik im Fahrzeug der Zukunft - Gesundheits-Check beim Autofahren - Integration von Sensorik (z.b. Puls, Hautwiderstand, -temperatur) - Information des Fahrers über kritische Veränderungen mit Hinweisen zu mehr Fahrsicherheit und über seine Gesundheit Automatische Regelung von Temperatur, Lüftung, Musik und Informationen, angepasst an das Befinden des Fahrers Situationsabhängige weitergehende Fahrerunterstützung Quelle: Forschungsverbund Fit4Age Folie 19

20 Häufigster Benutzerwunsch: Einfache Bedienbarkeit Die technischen Produkte müssen intuitiv und einfach bedienbar sein Die Technik soll die Absicht des Benutzers erkennen und eine Unterstützung angepasst an unterschiedlich erfahrene Benutzer anbieten Fehlbedienungen müssen nach Möglichkeit erkannt und korrigiert werden Folie 20

21 Thermoelektrische Energieversorgung Strom aus Körperwärme Spannungswandler für Eingangsspannungen ab 20 mv, bei nur 2 Temperaturunterschied bis zu 4 mw elektrische Leistung Anwendung: Versorgung von Elektronikschaltungen und Sensoren Folie 21

22 Anforderungen an die (mikroelektronische) Hardware Zuverlässigkeit trotz weiterer Miniaturisierung Redundanz, selbstständige Reparatur von Fehlern Autonome Energieversorgung Low Power Drahtlose Kommunikation Mixed Signal Große nichtflüchtige Speicher Erweiterbarkeit per Software über die drahtlose Verbindung Selbstorganisierende ad-hoc-netzwerke Sicherheit gegen unbefugten Zugriff oder Manipulation Folie 22

23 Zusammenfassung Mit der weiteren Entwicklung der Mikro- und Nanoelektronik sind die Hardwarevoraussetzungen für intelligente Objekte gegeben. Intelligente Objekte werden zukünftig unser Leben erleichtern. Sie ermöglichen neue Funktionen und Dienstleistungen. Entscheidend für den Erfolg dieser komplexen Systeme sind die Zuverlässigkeit, die einfache Benutzbarkeit und ein erlebbarer Vorteil für den Nutzer. Folie 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 24