Infineon: Neue Schaltung hilft Chips beim Stromsparen

Verfahren reduziert Leckströme deutlich

In San Francisco hat Infineon im Rahmen der ISSCC-Konferenz ein neues Verfahren zur Reduzierung von Leckströmen vorgestellt. Im Labortest soll der Strombedarf im Stand-by-Modus der Schaltung um den Faktor 1000 geringer gewesen sein.

Artikel veröffentlicht am 10. Februar 2005, 15:12 Uhr, Jens Ihlenfeld

Leckströme sind eines der größten Probleme in der modernen Halbleiterfertigung. Da die Chip-Strukturen immer kleiner werden, fallen auch die isolierenden Teile eines Transistors immer kleiner aus. Sie sind zum Teil nur wenige Atomlagen dick. Dabei kommt es leicht vor, dass Elektronen durch die Isolationsschicht schlagen oder in schleichenden Tunnel-Effekten den Isolator überwinden. Daher müssen die Schaltungen mit vergleichsweise hohen Spannungen betrieben werden, damit die Transistoren ihre Ladung über die erforderliche Zeit halten.

So wurde auch der Pentium 4 mit Prescott-Kern bei Erscheinen mit seinen maximalen 115 Watt Leistungsbedarf heftig kritisiert. Besonders die ohne Last geforderten 80 Watt erscheinen deutlich zu hoch. Die Schaltung muss dabei ständig unter Spannung gehalten werden, damit sie auf neue Lasten wieder zügig reagiert.

Für dieses Problem will Infineon jetzt eine Lösung gefunden haben, die bisher aber nur mit einfachen Funktionseinheiten wie einem Addierer oder Multplizierer im Labor erprobt wurde. Das Prinzip funktioniert ähnlich dem "clock gating" in modernen Prozessoren: Nicht benötigte Funktionseinheiten werden abgeschaltet. Damit sie schnell wieder anspringen, hat Infineon nun spezielle Schalttransistoren entwickelt. Sie sollen die Leistung der Einheiten unter Last nur sehr wenig beeinflussen.

So will Infineon bei einem 32-Bit-Addierer im Stand-by-Betrieb nur 10 Nano-Ampere Strom benötigt haben - laut Infineon 1.000-mal weniger als bei herkömmlichen Designs. Der Baustein ist in 90-Nanometer-Strukturbreite ausgeführt und wurde zwischen 500 MHz und 2,5 GHz getaktet. Die Spannung gab Infineon nicht an, so dass sich die benötigte elektrische Leistung nicht berechnen lässt.

Dennoch erscheint das Konzept viel versprechend: Die neuen Schalttransistoren sollen laut Infineon nämlich auch dazu führen, dass in Zukunft das Abschalten von viel mehr Einheiten möglich ist, da die Chips feiner unterteilt werden. Intel hatte dieses "agressive clock gating" beim Design der Centrino-Chips als Schlüssel zu deren geringem Strombedarf bezeichnet.

Vorerst sieht Infineon die neue Technologie vor allem als für Basisband-Chips geeignet an, die bei mobilen Geräten den Kern der Funkschaltung darstellen. Ob und wann die fixen Transistoren auch in komplexe Prozessoren einziehen können, ist noch nicht abzusehen. [von Nico Ernst]