Area 1 Mikro- und Nanotechnologien: Projektergebnisse CoolComputing

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2 Area 1 Mikro- und Nanotechnologien Kurzbeschreibung Area 1: Im Rahmen des Spitzenclusters Cool Silicon beschäftigen sich die Projektpartner in Area 1 mit der Bereitstellung von Basistechnologien sowie Analyse- und Produktionsmethoden für die Herstellung energieeffizienter Elektronik und deren Anwendung zur Senkung des Energieverbrauches in Rechnersystemen. Technical Showcase des Spitzenclusters Cool Silicon: CoolComputing: Neue Stromsparpotenziale für Elektronik Energieeffiziente Mikro- und Nanotechnologien Internetfähige Notebooks, Smartphones und Tablet-PCs gehören zum Alltag ob in Unternehmen, öffentlichen Institutionen oder Privathaushalten. Weltweit boomt die Nachfrage nach mobilen Endgeräten. Allerdings benötigen solche Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) enorm viel Energie: Der Einsatz dieser Technologien verschlingt bereits heute etwa acht Prozent der global erzeugten elektrischen Energie und verursacht damit rund zwei Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes. Auf Grund des starken Wachstums der IKT-Märkte prognostizieren Experten für das Jahr 2020 eine Verdreifachung des IKT-Energiebedarfs. Damit hat sich der Energieverbrauch von Computern innerhalb weniger Jahre zu einem Kostenfaktor entwickelt, den kein Unternehmen oder Privathaushalt mehr vernachlässigen kann. Doch elektronische Systeme lassen sich durch den Einsatz energiesparender Mikro- und Nanotechnologie effizienter gestalten bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsfähigkeit. An der Lösung dieser globalen Herausforderung arbeiten die Projektpartner im Spitzencluster Cool Silicon. Gemeinsam entwickeln sie innovative IT-Lösungen, die den Energieverbrauch im Bereich der IKT deutlich senken. Projektziel: Basistechnologien für energieeffiziente IKT-Produkte Hauptziel der Projekte im Bereich Mikro- und Nanotechnologien ist, in einem ganzheitlichen Ansatz Basistechnologien für energieeffiziente IKT-Produkte und deren 2/5

3 Anwendung in Computern zu entwickeln von energiesparenden Komponenten über die Betriebs- und Anwendersoftware bis hin zu Analyse- und Fertigungsmethoden, ohne die die neuen Technologien nicht in die Produktion überführt werden können. CoolComputing Zur erfolgreichen Umsetzung dieses Ziels geht es im Teilprojekt CoolComputing darum, die gesamte Wertschöpfungskette von Computing-Plattformen wie Laptops oder Smartphones unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz in den Blick zu nehmen. Dazu gehören vor allem die Entwicklung energieeffizienter Bauelemente und die Optimierung der Lithographiemasken im Chipherstellungsprozess. Energieeffiziente Bauelemente: Höhere Leistung bei geringerem Stromverbrauch Herausforderung im Rahmen von CoolComputing war es zum einen, Prozessoren und andere Hochleistungschips mit einer neuen Technologie zu entwickeln, die bei Strukturgrößen von 32 und 28 Nanometern den Stromverlust von Chips signifikant reduzieren. Die betreffenden Prozessoren werden in High Performance Computern, Videospielkonsolen, Netzwerkkomponenten und mobilen Anwendungen eingesetzt (siehe Abb. 1a, 1b). Mit dieser neuen High-k-Metal-Gate (HKMG, deutsch: hoch-epsilon Steuerdielektrikum und Metall- Steuerelektrode)-CMOS-Technologie lässt sich beispielsweise die Laufzeit eines durchschnittlichen Laptops oder Smartphones um 30 Prozent im Vergleich zur Vorgängergeneration erhöhen. Im Vergleich zur herkömmlichen Polysilicium-Gate-Technologie in der Mikrochip-Produktion hat die so genannte High-k-Metal-Gate -Technologie einen entscheidenden Vorteil: Sie verbessert die Energieeffizienz der Prozessoren durch eine drastische Reduzierung der Leckströme. Denn ähnlich wie ein tropfender Wasserhahn Wasser verliert, führen Leckströme in Halbleiterchips zu Energieverlusten. Die Transistoren werden nun mit so genannten High-k-Gate-Dielektrika gefertigt, die nitrierte Gate-Oxide ersetzen. Kombiniert wird dieses neue Dielektrikum aus Gründen besserer Leistungsfähigkeit der Transistoren mit metallischen Gates. Das Ergebnis: Mit der neuen HKMG-CMOS-Technologie ist es einerseits möglich, bei gleichbleibender Leistung die Leckströme eines Transistors innerhalb eines Mikroprozessors je nach Transistortyp um den Faktor 1000 bzw. 200 zu reduzieren (siehe Abb. 1c). Andererseits 3/5

4 kann ein Performance-Gewinn um 35 Prozent für den NFET (N-Feldeffekttransistor) bzw. um 25 Prozent für den PFET bei gleichbleibenden Leckströmen erreicht werden. Zudem kann durch den Einsatz dieser neuen Technologie auch der Energiebedarf von WLAN- Routern deutlich gesenkt werden. Ein Beispiel: In Deutschland gibt es rund 28 Millionen WLAN- Haushalte. Wenn allein 20 Millionen von ihnen die neue Technologie nutzen, würde der Energiebedarf jährlich um bis zu 60 Megawatt sinken. So ließe sich allein für den beschriebenen Anwendungsbereich ein Zehntel der Leistung eines durchschnittlichen Kernkraftwerkes einsparen. Abb. 1a Abb. 1b Abb. 1c Abb. 1a: Moderner Mikroprozessor Abb. 1b: Anwendungen der energieeffizienten Mikroprozessoren Abb. 1c: Metall-Isolator- Feldeffekttransistor mit stark reduziertem Leckstrom. Auf der linken Seite des Teilbildes ist ein konventioneller Transistor zu sehen. Der rechte Bereich zeigt oben einen Transistor mit hoch-epsilon Steuerdielektrikum und Metall-Gate-Elektrode. Rechts unten ist eine Detailaufnahme des hoch-epsilon Dielektrikums mit atomarer Auflösung zu sehen. LER-Optimierte Masken: Mit der Optimierung von Lithographiemasken bei der Herstellung von Halbleiterchips der neuesten Generation konnte eine weitere Herausforderung bewältigt werden: Die Forscher erreichten hier eine Reduzierung der Linienrauigkeiten (engl.: Line Edge Roughness - LER ) auf der Maske um 24 Prozent zur Vorgängerplattform einhergehend mit einer verbesserten Linienbreitenuniformität. Damit wird die Schwankung der kritischen Strukturbreiten auf dem Wafer reduziert, was wiederum zu einem geringeren Leckstrom und damit zu einem energieeffizienteren Chip führt. 4/5

5 Fazit Mit den beschriebenen Ergebnissen im Projekt CoolComputing legt das Spitzencluster Cool Silicon den Grundstein für eine nachhaltige Lösung der wachsenden Nachfrage an Rechnern und Endgeräten. Somit kann die IT-Branche in Zukunft schon beim Entwurf einzelner Komponenten nicht nur die Rechenleistung, sondern auch die Energieeffizienz optimieren. Denn kaum eine Branche ist innovationsgetriebener als die Halbleiterbranche und nur wenige andere Produkte sind wichtiger für die Entwicklung moderner Industriegesellschaften als Chips. Sie sind die Basis für nahezu alle technischen Erzeugnisse: Ob Mobiltelefone, Computer, Flachbildschirme, ob Autos, Flugzeuge oder medizinische Geräte wie Computertomografen, Ultraschall- oder Röntgengeräte alle wären ohne moderne Chips nicht funktionsfähig. Die energieeffizienten Chips für Notebooks und Smartphones, die in Sachsen entstehen, zeigen nunmehr neben einer Vielzahl weiterer Teilprojekte, dass moderne und leistungsfähige Informations- und Kommunikationssysteme keine Stromfresser sein müssen. Kontakt Dr. Sabine Kolodinski (Area Managerin) GLOBALFOUNDRIES Dresden Module One LLC & Co. KG Wilschdorfer Landstraße Dresden Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Weitere Infos zum Cluster unter: 5/5

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