NEC erfrischt Chips

Tokio/Düsseldorf, 03. Juli 2008 – Sie werden immer kleiner, leistungsfähiger und heißer. Die Rede ist von so genannten LSI-Chips (Large Scale Integration), den wichtigsten Bausteinen der Chip-Industrie. Die steigende Wärmeentwicklung in den immer kleineren Chips bedroht zunehmend deren Leistungsfähigkeit und wird zum klima- und kostenfeindlichen Stromfresser. NEC stellt jetzt eine revolutionäre Technologie vor, mit der sich die Wärmeverteilung von LSI-Chips grafisch darstellen und ihr Stromverbrauch drastisch senken lässt. NEC bewältigt damit eine der größten Herausforderungen der Chip-Industrie, die durch die zunehmende Miniaturisierung von LSI-Bausteinen entstanden ist. Die innovative Wärmesensorik von NEC wurde bereits auf einem der leistungsfähigsten Supercomputer der Welt, dem NEC SX-9, vorgeführt. NEC demonstriert damit ein weiteres Mal sein starkes Engagement bei der Entwicklung von umweltfreundlichen Technologien.

Außen hui, innen heiß

Der Trend zu immer kleineren Chips ist unaufhaltbar, allerdings bereitet er der Chip-Industrie durch die steigende Wärmeentwicklung immer größeres Kopfzerbrechen. Denn die immer höheren Temperaturen in den Chips führen sehr häufig zu einem merklichen Leistungsabfall bei den Transistoren und Verdrahtungen. Ab einer Temperatur von etwa 40 Grad Celsius kommt es im Inneren von LSI-Chips zu einer Verzehnfachung der Kriechströme, wodurch sich die Lebensdauer von Transistoren und Verdrahtungen nahezu halbiert. Als Konsequenz hat sich das Augenmerk immer stärker auf eine Verbesserung der Temperaturregelung von LSI-Bausteinen gerichtet. Dies kann allerdings nur erreicht werden, wenn Chips mit einer hohen Anzahl von Wärmesensoren bestückt werden, die Temperaturmessungen in Echtzeit ermöglichen. Herkömmliche Wärmesensoren sind jedoch groß und sperrig, sodass nur wenige von ihnen auf einen Chip passen. Dies führt dazu, dass ihre Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit bislang sehr zu wünschen übrig ließ.

Hitzefrei für Chips

Mit der neuen Technologie von NEC kommen Hunderte von Wärmesensoren mit nur 1/10 der Größe bisheriger Sensoren zum Einsatz. Sie sind über die gesamte Fläche im Inneren des LSI-Bausteins verteilt und wandeln Temperaturveränderungen in digitale Signale um, sodass die Wärmeverteilung des Bausteins in Echtzeit grafisch darstellbar wird. Dank ihres hohen Miniaturisierungsgrades können die Wärmesensoren auf einen Großteil der LSI-Fläche verteilt werden, was die Genauigkeit der Messungen erhöht.
Durch die Entwicklung dieser neuartigen Technologie zur grafischen Darstellung der Wärmeverteilung können nun lokal gezielt Maßnahmen ergriffen werden, um die Wärmeentwicklung in bestimmten Bereichen von LSI-Chips zu steuern. Dadurch können Aufgaben auf weniger aktive Bereiche des Chips ausgelagert werden, sodass der Gesamtstrombedarf reduziert und die Umwelt geschont wird. Der Einsatz der NEC-Technologie in Chip-Bausteinen und Mikroprozessoren führt damit zu einer Optimierung der Taktfrequenz, der Datenverarbeitung und der Spannungspegel. Im Ergebnis lässt sich der Stromverbrauch bei LSI-Bausteinen um 20 – 50 % senken.

Elefantenkräfte im Mückenformat

Die Technologie zur grafischen Darstellung der Wärmeverteilung bei LSI-Chips ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung von so genannten „Data Center on Chip“. So profitieren moderne Data Center schon heute von einer stark optimierten Temperaturregelung, da die Wärmeverteilung im Center rund um die Uhr in Echtzeit überwacht wird. Damit können Maschinen mit starker Wärmeentwicklung intensiv belüftet und spezifische Operationen gezielt an gesonderte Server übergeben werden. Mit der neuen Technologie von NEC werden LSI-Chips künftig in die Lage versetzt, ganz ähnliche Funktionen im Bereich Temperaturregelung wie heutige Data Center zu übernehmen. Profitieren wird davon die gesamte Chip-Industrie, seien es nun Chips, die in Computern und Servern, Fahrzeugen, digitalen Audio- und Videogeräten oder in Netzwerken zum Einsatz kommen.

Anhang:

Die wichtigsten Merkmale der neuen Technologie von NEC:

1. Erhöhung der Anzahl der Wärmesensoren

Moderne Wärmesensoren messen Temperaturen, indem Kriechströme von Transistoren durch miniaturisierte Stromrichterkreise geleitet werden, wo ihre Umwandlung in digitale Signale erfolgt. Die neuen Sensoren von NEC haben nur etwa 1/10 der Größe von herkömmlichen Dioden-basierten Sensoren und sind mit Schaltungen bestückt, die Kriechströme erkennen und in digitale Signale umwandeln. Die Messungen bleiben auch dann sehr genau (mit einer Fehlertoleranz von unter zwei Grad Celsius), wenn sich während des Betriebs die Eingangsspannung des LSI-Bausteins ändert. Aufgrund ihrer Größe konnte bisher nur eine relativ geringe Anzahl herkömmlicher Wärmesensoren in LSI-Bausteinen untergebracht werden. Durch die neue Technologie von NEC können hunderte der neuartigen Miniatursensoren im Inneren des LSI-Chips angeordnet werden, sodass sich die Wärmeverteilung des Chips in Echtzeit grafisch darstellen lässt.

2. Korrektur von ungenauen Temperaturmessungen

NEC hat eine Rechenmethode entwickelt, mit der sich die Größe des Kriechstroms bei LSI-Chips im Betrieb messen und in einen Temperaturwert umwandeln lässt. Bis dato konnten in LSI-Chips nur Wärmesensoren eingesetzt werden, deren Messfehlertoleranz bei mehreren Dutzend Grad Celsius lag. Die neuesten Sensoren von NEC liefern dagegen auf bis zu drei Grad Celsius genaue Messergebnisse. Auch wenn bei unterschiedlichen LSI-Bausteinen herstellungsbedingt Kriechströme auftreten können, die bis um das Hundertfache voneinander abweichen, so liefert die neue Generation von NEC-Sensoren dennoch eine extrem hohe Messgenauigkeit.