Nach wie vor regiert Moores Gesetz: Die Anzahl der Transistoren pro Chip wächst exponentiell, aktuelle Desktop-Prozessoren haben heute schon mehr als hundert Millionen. Mit der Zahl der Transistoren nimmt auch die Komplexität zu, immer mehr Komponenten werden auf einen einzigen Baustein gepresst - Signalprozessoren, Mikrocontroller, Speichersysteme, analoge Funktionsblöcke -, man spricht von "Systems on Chip" (SoC).

Sie werden in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, in Handys, im Automobil. Der Begriff sei zwar nicht ganz scharf definiert, erklärt Herbert Grünbacher, Universitätsprofessor am Institut für Technische Informatik der TU Wien, jedenfalls zeichne solche Systeme ihre monolithische Bauweise aus, im Gegensatz zu "Systems in Package" (SiP), wo die einzelnen Komponenten nicht auf einem einzigen Chip, sondern in einem Gehäuse integriert werden. Für den Anwender ergibt sich daraus kein großer Unterschied, aber für den Hersteller: Die Produktion von Systems on Chip ist vergleichsweise wesentlich günstiger.

Daher ist der Trend zu noch komplexeren Systemen unschwer vorherzusagen, noch in diesem Jahrzehnt werden wohl eine Milliarde Transistoren auf einem einzigen elektronischen Baustein untergebracht werden.

Grenze des Machbaren

Für die Techniker und Chipdesigner ergeben sich daraus neue Möglichkeiten und ebenso viele neue Probleme. Langsam, aber sicher nähert man sich nämlich den Grenzen des Machbaren an, sowohl was die Physik betrifft als auch die Entwicklung: "Wir erreichen eine Komplexität, dass wir kaum mehr verstehen können, wie sich solche Systeme verhalten", sagt Herbert Grünbacher. Daher brauche es auch neue Methoden und Systematiken für den Entwurf, für die Simulation und Qualitätssicherung.

Je mehr Transistoren auf einem Chip verbaut werden, desto kleiner müssen sie sein, und unter klein darf man sich inzwischen Größenordnungen von 100 Nanometer (oder 0,0001 Millimeter) und weniger vorstellen, schon hört man auch von 60 und 35 Nanometer. Bei solchen Geometrien im Submikron-Bereich werden allerdings die Schalteigenschaften eines Transistors immer schlechter, man kann ihn nicht mehr richtig ausschalten, der Stromverbrauch steigt.

"Der so genannte Leckstromanteil kann über 25 Prozent betragen", weiß Grünbacher, eine etwa für mobile Anwendungen besonders unerfreuliche Nebenwirkung, die zu bekämpfen aufwändige Ausschaltmechanismen benötigt. Und: Je kleiner die Chips, je höher die Integration, desto niedriger muss die Spannung sein, weil sonst die innere Feldstärke zu groß wird. Von ehemals fünf Volt wurde die Spannung mittlerweile auf 1,5 Volt und weniger reduziert, was einerseits dazu führt, dass Störsignale wesentlich stärker durchschlagen und schlechter zu unterdrücken sind, andererseits dazu, dass man bei der Rückkehr in die analoge Welt einen Verstärker braucht, um das schwache digitale Signal entsprechend aufbereiten zu können.

Ausweichmanöver

Unglücklicherweise wirkt sich die geringe Spannung auch auf analoge Signale wenig vorteilhaft aus. "Mehr als beispielsweise ein Signal für den Kopfhörer ist unter diesen Voraussetzungen nicht möglich, weil man mit dieser niedrigen Versorgungsspannung die notwendigen Ausgangsamplituden nicht zustande bringt. Dazu muss man auf andere Technologien ausweichen", zieht Grünbacher eine Grenze für den Einsatz von Systems on Chip.

Dieser Grenzbereich zwischen analoger und digitaler Welt, der Übergang von analogen zu digitalen und wieder zurück zu analogen Signalen ist einer der kritischen Punkte für das Design von Hochleistungschips. Das natürliche Bestreben aller IT-Techniker, komplexe analoge Signale in einfache digitale Signale umzuwandeln, wird noch immer von mangelnden Prozessorleistungen gebremst. Je höher die Signalfrequenz, desto weniger kann in der digitalen Welt dargestellt werden, etwa in der Echtzeit-Videoverarbeitung.

Neue analoge, aber auch digitale Schaltungskonzepte zu entwerfen, die eine höhere Logikabstraktion als bisher ermöglichen, ist daher eine der wichtigsten Aufgaben der nahen Zukunft. "Es gibt keine vernünftigen Werkzeuge, die eine Vereinfachung und Automatisierung erlauben", so Herbert Grünbacher.

Transistorstrukturen, die die Umwandlung von analogen in digitale Signale und umgekehrt auch bei niedrigen Spannungen besser bewältigen, sind ebenfalls ein offenes Forschungsfeld. Und für das Gesamtsystem sieht Grünbacher grundsätzlichen Bedarf "an neuen Entwürfen und Ideen für hochkomplexe Anwendungen."

Beides - die Weiterentwicklung von Technik und Gesamtsystem - soll nun im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie geförderten Innovationsprogramms FIT-IT mit einem eigenem Schwerpunkt Systems on Chip vorangetrieben werden. Der Beschluss fiel letzte Woche.

Projektmanager Erich Prem von Eutema Technology Management: "Pro Jahr werden fünf Millionen Euro zur Verfügung stehen, mindestens für zwei Jahre, die Ausschreibung wird noch vor dem Sommer passieren." Damit soll die auch international anerkannte Bedeutung österreichischer Unternehmen im Bereich Entwicklung und Produktion von Systems on Chip gesichert und weiter ausgebaut werden. (Markus Honsig/DER STANDARD, Print-Ausgabe, 24. 1. 2005)