Inländischer Durchbruch bei RF-EDA-Software! Mao Junfa, Akademiemitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, spricht über die Richtung und den Durchbruchspfad heterogener integrierter Halbleiterschaltungen.

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2022-03-17 286

Am 9. Juni erklärte Mao Junfa, Akademiemitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Mitglied des Ständigen Ausschusses des Parteikomitees und Vizepräsident der Shanghai Jiao Tong Universität, auf der Welthalbleiterkonferenz 2021 und der Internationalen Halbleitermesse in Nanjing, dass integrierte Schaltkreise eine nationale strategische Nachfragebranche darstellen. Im Jahr 2020 importierte China integrierte Schaltkreise im Wert von 350 Milliarden US-Dollar (im Vergleich zu Ölimporten im Wert von 176 Milliarden US-Dollar im selben Jahr). Chinas High-End-Chips sind im Wesentlichen von Importen abhängig.

Bild: Mao Junfa, Akademiemitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Mitglied des Ständigen Ausschusses des Parteikomitees und Vizepräsident der Shanghai Jiao Tong Universität

Er nannte drei Gründe für Chinas Rückstand bei integrierten Schaltungen: 1. Die EDA-Technologie hinkt hinterher. Zwar existieren derzeit viele Forschungsalgorithmen, diese sind jedoch stark fragmentiert und es mangelt an Planungs-, Integrations- und Strukturierungskapazitäten. Die Kompetenzen im Bereich der großflächigen Softwareentwicklung sind schwach und die Erfahrung gering, weshalb Anwender bevorzugt auf heimische Softwarelösungen zurückgreifen. 2. Die Ausrüstung hinkt hinterher, was hauptsächlich auf Faktoren wie die allgemeinen Kapazitäten und das Marktumfeld zurückzuführen ist. 3. Bauelemente und Schaltungen sowie Hochleistungsmaterialien hinken hinterher; zudem sind die Prozessgenauigkeit und -stabilität unzureichend.

Selbst mit ausreichend Geld lassen sich integrierte Schaltkreise heutzutage nicht mehr kaufen. Im Mai 2020 kündigte das US-Handelsministerium umfassende Beschränkungen für Huaweis Kauf von Halbleiterprodukten an, die mit US-amerikanischer Technologie hergestellt wurden; im April 2021 schlugen US-Gesetzgeber Exportkontrollen für alle chinesischen Chiphersteller vor, deren Chips unter 14 nm gefertigt werden.

Derzeit gibt es zwei Hauptentwicklungswege für Chips: die Fortsetzung des Mooreschen Gesetzes und die Abkehr davon. Das Mooresche Gesetz ist allgemein bekannt. Wir stehen nun vor Herausforderungen, darunter physikalische Grenzen, technologische Möglichkeiten und wirtschaftliche Kosten. Allein die Kostenrechnung ist zu komplex. Es gibt viele Wege, das Mooresche Gesetz zu umgehen. Akademiemitglied Mao Junfa ist überzeugt, dass heterogene integrierte Schaltkreise einer dieser Wege sind.

Heterogene integrierte Halbleiterschaltungen stellen einen möglichen Weg dar, auf dem chinesische Chips in bestimmten Bereichen die Führung übernehmen können.

Wie Akademiemitglied Mao Junfa erklärte, entstehen heterogene integrierte Halbleiterschaltungen durch die Integration von Hochleistungs-Verbindungshalbleiterbauelementen oder -chips unterschiedlicher Prozessknoten und kostengünstigen, hochintegrierten Siliziumbauelementen (einschließlich optoelektronischer Bauelemente oder Chips) in Chips. Diese werden anschließend mittels heterogener Bondsynthese oder externem Wachstum mit passiven Komponenten oder Antennen integriert. Akademiemitglied Mao hob die herausragenden Merkmale heterogener integrierter Schaltungen hervor: Erstens vereinen sie die Vorteile verschiedener Halbleitermaterialien, -prozesse, -strukturen und -komponenten oder -chips; zweitens nutzen sie Systemdesignkonzepte; drittens setzen sie fortschrittliche Technologien wie IP und kleine Chips ein; sie weisen 2.5D- oder 3D-Hochdichtestrukturen auf. Heterogene integrierte Schaltungen bieten deutliche Vorteile: Erstens ermöglichen sie leistungsstarke, komplexe Funktionen, exzellente Gesamtleistung und überwinden die Leistungsgrenzen einzelner Halbleiterprozesse; zweitens zeichnen sie sich durch hohe Flexibilität, hohe Zuverlässigkeit und kurze Entwicklungszyklen aus; drittens ermöglicht die dreidimensionale Integration Miniaturisierung und geringes Gewicht; die Anforderungen an die Halbleiterausrüstung sind relativ gering und nicht durch EUV-Lithographieanlagen beschränkt.

Er stellte insbesondere heterogene integrierte Schaltungen im Millimeterwellenbereich vor. „Millimeterwellen sind ein Frequenzband von 30 GHz bis 300 GHz. Dank ihrer großen Bandbreite und der Möglichkeit zur Miniaturisierung von Bauelementen stellen sie eine Schlüsselrichtung für die Entwicklung heterogener integrierter Halbleiterschaltungen weltweit dar. Für die drei größten Marktteilnehmer gibt es drei besondere Gründe, warum der Bedarf an heterogenen integrierten Schaltungen besonders hoch ist: Erstens wird Millimeterwellentechnologie benötigt, um vielfältige Anforderungen zu erfüllen – von 5G und 6G über die Luft- und Raumfahrtnavigation bis hin zu autonomen Fahrzeugen und intelligenten Systemen. Dies betrifft sowohl Geräte als auch das Internet der Dinge. Zweitens umfassen Millimeterwellensysteme digitale, analoge und Hochfrequenz-Mikrowellenschaltungen, wodurch die heterogene Integration besonders dringlich ist. Drittens sind die Herausforderungen und Probleme der Millimeterwellen-Heterogenität deutlich komplexer und schwerwiegender. Aufgrund der hohen Frequenz und der verteilten Parameter entwickelt sich die Technologie von der Straße ins Feld. Der Abstand zwischen den Modulen beträgt nur Mikrosekunden, und die enge Kopplung macht den Designprozess deutlich komplexer.“

Akademiemitglied Mao Junfa betonte die große wissenschaftliche Bedeutung der Erforschung heterogener integrierter Halbleiterschaltungen. Durch integrierte Schaltungen können wir uns von der derzeitigen homogenen Fertigung hin zur Integration mehrerer heterogener Prozesse, von der zweidimensionalen planaren Integration zur dreidimensionalen Integration und von Top-Down zu Bottom-Up weiterentwickeln, um so leistungsstarke komplexe Systeme zu realisieren. Dies eröffnet erstens einen neuen Weg für die Entwicklung der elektronischen Systemintegrationstechnologie; zweitens eine neue Richtung für die Entwicklung integrierter Schaltungen im Zeitalter nach Moore; und schließlich eine neue Chance für die Halbleiterindustrie unseres Landes, neue Wege zu beschreiten und die Entwicklung zu beschleunigen.

Die Vereinigten Staaten hoffen, durch heterogene integrierte Schaltkreise die Leistung des Stromversorgungssystems um das Zehnfache verbessern, die Erkennungsfähigkeit und -geschwindigkeit um das Hundertfache steigern und Größe, Gewicht und Stromverbrauch auf ein Hundertstel des aktuellen Niveaus reduzieren zu können.

Durchbruch bei inländischer RF-EDA-Software erzielt signifikante Ergebnisse

Design ist die Grundlage der HF-Industriekette, und Software zur elektronischen Schaltungsentwicklung (EDA) ermöglicht die Entwicklung von HF-Schaltungen und ist ein wichtiger Eckpfeiler der HF-Industrie. Auf dieser Konferenz erklärte Akademiemitglied Mao Junfa, dass als Antwort auf Chinas dringenden Bedarf an unabhängig steuerbarer HF-Schaltungs-EDA-Software ein vollständiges HF-EDA-Simulationsprogramm entwickelt und auf den Markt gebracht wurde. Dieses Programm wurde von Mao Junfas Forschungsteam, Akademiemitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Vizepräsident der Shanghai Jiao Tong Universität, und Professor Wu Linsheng eigenständig entwickelt und mit einer der zehn besten Goldmedaillen für Wissenschaft und Technologie an chinesischen Universitäten ausgezeichnet. Im Jahr 2020 gewann Mao Junfas Forschungsteam ein weiteres nationales 6G-Funkfrequenz-Frontend-Projekt.

Akademiemitglied Mao Junfa erklärte, dass sein Team und das Forschungsteam von Professor Wu Linsheng in Zusammenarbeit mit Xinhe Semiconductor Technology (Shanghai) Co., Ltd. und mit Unterstützung des Nationalen 973-Projekts, der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung, des Nationalen Großprojekts, des Wissenschaftlichen Forschungsplans der Shanghaier Kommission für Wissenschaft und Technologie etc. effiziente elektromagnetische und multiphysikalische Simulationsmodellierungsalgorithmen vorgeschlagen und eigenständig Simulationssoftware entwickelt haben. Diese Software ermöglicht die automatisierte, kollaborative Entwicklung multiphysikalischer und multifunktionaler Bauelemente. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde gemeinsam eine Bibliothek geistigen Eigentums (IP) für integrierte passive Bauelemente erstellt und eine Vielzahl von Produkten entwickelt. Diese werden in vielen Bereichen wie Mobilkommunikation, Satellitenkommunikation und integrierten Schaltungen eingesetzt und haben einen wichtigen Beitrag dazu geleistet, dass China die internationale Blockade im Bereich der Hochfrequenz-EDA-Software durchbrochen hat.

Laut Akademiemitglied Mao hat man in Zusammenarbeit mit Xinhe Semiconductor Technology (Shanghai) Co., Ltd. insgesamt 48 kommerzielle RF-EDA-Softwaretools und 500 hochpräzise PDK-Modelle auf den Markt gebracht. Darüber hinaus wurde die integrierte IP-Bibliothek für passive Bauelemente, die mit dem Prozess von SMIC kompatibel ist, bereits 350 Millionen Mal in Serie gefertigt und ermöglicht damit die weitgehend unabhängige Steuerung von EDA-Tools für passive RF-integrierte Schaltungen. Die gemeinsam entwickelte RF-EDA-Software wird derzeit von 200 Kunden aus der Halbleiter-, Luft- und Raumfahrt-, Radar-, Kommunikations- und Automobilindustrie sowie weiteren Branchen eingesetzt. Zu den Nutzern zählen unter anderem ZTE, Huawei, Lenovo, Foxconn, Hualan, China Electronics und AVIC. Die Software wird auch an international renommierte Unternehmen wie Cisco, Intel, IBM und Apple exportiert.

Akademiker Mao Junfa berichtete außerdem über die neuesten Fortschritte bei 4D-Gestenerkennungsradar, Millimeterwellen-Radarmikrofonen, biologischem Millimeterwellenradar, Wi-Band heterogen integriertem On-Chip-Radar und Einzel-/Doppelpassbandfiltern auf Basis der mehrschichtigen BCB-Technologie.

Abschließend erklärte er, dass die Forschungsziele der nächsten fünf Jahre auf Kerntechnologien ausgerichtet sind, darunter EDA-Technologie und Software, insbesondere Modellreverse-Konstruktion und multifunktionale Kollaborationstechnologie. Die Software kann heterogene integrierte Schaltungen mit drei Schichten und sechs Chips analysieren und entwerfen, die bis zu 325 GHz verifiziert werden können. Durchbrüche in diesen Technologien werden zukünftig eine unabhängige technische Grundlage für die Entwicklung wichtiger neuer nationaler Infrastrukturen und Ausrüstungen wie Mobilkommunikation, Internet der Dinge und Radardetektion schaffen. Zu den Forschungszielen der nächsten zehn Jahre gehört die Integration von Optoelektronik und Elektronik, die deutlich komplexer ist. Wir hoffen außerdem, den Wachstumsprozess heterogener Systeme zu beschleunigen und die Software vollständig zu kommerzialisieren.

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