Sensoren sind die Sinne, mit denen Elektroniksysteme die reale Welt erfassen. Um ihre Dienste nutzen zu können, müssen die Systementwickler aber zunächst analoge Schaltungen auf Platinen und Chips integrieren. Bisher war der Entwurf dieser analogen Schaltungen noch Handarbeit. Nun entwickelten Forscher eine Entwurfsmethodik mit welcher ein Teil des Schaltungsdesigns automatisiert werden kann.

Bird-View-Kameras, die dem Fahrer im Auto eine lückenlose 360-Grad-Rundumsicht der Fahrzeugumgebung ermöglichen, Systeme zur Kollisionsvermeidung, die mittels Radarsensoren eine drohende Kollision zuverlässig erkennen können oder die minimalinvasive Operation mit Hilfe von Echtzeitbildern aus dem Magnetresonanztomographen – die Digitalisierung macht vieles möglich. Gleichzeitig steigert sie aber auch den Bedarf an immer leistungsfähigeren und miniaturisierten Systemen.

Ausschließlich digital, also ohne analoge Schaltungen, würden all diese Systeme allerdings nicht funktionieren. Die analoge Signalverarbeitung ist vor allem an der Schnittstelle zwischen der realen und der digitalen Welt unverzichtbar, denn während Digitalsysteme nur klar definierte Werte eines Signales verarbeiten, können analoge Schaltungen fließende Übergänge physikalischer Größen erfassen. Sie sind zum Beispiel in der Lage, das gesamte natürliche Farbenspektrum oder kleinste Veränderungen von Schallfrequenzen als elektrische Spannungsverläufe abzubilden. Deshalb bleibt es auch für modernste Entwicklungen essentiell, analoge Schaltungselemente wie Signalverstärker, Widerstände oder Analog-Digital-Wandler in ihre elektronischen Systeme zu integrieren.

Integrierte Schaltungen automatisiert entwerfen

Integrierte Schaltungen mit immer höherer Leistung und auf immer weniger Raum zu entwerfen ist für die Systementwickler eine Herausforderung. Im Bereich der digitalen Schaltungen können sie dabei Softwaretools einsetzen, die den Entwurf der digitalen Bauteile auf einem Chip weitgehend automatisiert übernehmen. Für die analogen Komponenten dagegen gab es solch eine Entwurfsunterstützung bislang nicht. Die Zusammenstellung, Platzierung und Verknüpfung der Bauteile für die Verarbeitung analoger Signale erfolgt deshalb bis heute weitgehend manuell. »Wenn immer komplexere Schaltungen umgesetzt werden sollen, bedeutet diese Vorgehensweise jedoch nicht nur einen enormen Entwicklungsaufwand. Auch die Fehleranfälligkeit erhöht sich deutlich«, betont Benjamin Prautsch vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS.

Im Rahmen des von der EU-Forschungsinitiative ENIAC und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts »THINGS2Do« entwickelten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer IIS/EAS nun ein spezielles Designwerkzeug, mit denen Systementwickler erstmals auch den Bereich des analogen Schaltungsentwurfs automatisieren können. Möglich wird dies insbesondere durch eine umfangreiche Bibliothek von Intelligent Intelectual Property-Bausteinen (IIPs) für analoge Schaltungskomponenten. »Unser Entwurfswerkzeug stellt diese erprobten IIP-Bausteine bereit und Entwicklungsingenieure können sie je nach Aufgabenstellungen flexibel anpassen und miteinander verknüpfen«, erklärt Prautsch. Durch die automatisierte IIP-Generierung für analoge Schaltungskomponenten profitieren Systemdesigner durch erhebliche Zeiteinsparung und Fehlervermeidung bei der Entwicklung neuer Schaltungen. Das Werkzeug ermöglicht zudem eine schnelle Portierung bestehender Schaltungsentwürfe bei einem Wechsel auf eine neue Halbleitertechnologie.

Effizienter Umstieg auf leistungsfähige Halbleitertechnologie

Aktuell erleichtert die automatisierte Entwurfsunterstützung insbesondere den Umstieg auf die 22FDX® Halbleitertechnologie, die es ermöglicht, die Strukturen der analogen Schaltungen auf Chips und Halbleiterkomponenten bis auf 22 Nanometer zu verkleinern. Die Grundlagen dafür bildet die in Europa entwickelte neuartige FDSOI Halbleitertechnologie. Im Projekt »THINGS2Do« schafften insgesamt 47 Forschungspartner aus mehreren Ländern die Grundlagen dafür, die neue, leistungsfähige Halbleitertechnologie für eine Vielzahl an Anwendungen effizient nutzen zu können. Die vorgestellten Lösungen umfassen dabei die gesamte Entwurfskette von Methoden und Werkzeugen für die Neukonzeption einzelner Schaltungen bis zur Entwicklung innovativer Betriebsmodi zur Senkung des Energieverbrauchs.

Referenzumsetzungen der Projektpartner belegen die Leistungsfähigkeit der Technologie: Ein als hochintegriertes System-in-Package realisierter Demonstrator ermöglicht beispielsweise energieeffiziente Echtzeit-ADAS-Anwendungen (Advanced Driver Assistance Systems) mit sehr hohem Datendurchsatz bei geringen Kosten. Die neun Projektpartner aus Deutschland nutzen die Projektergebnisse zusätzlich für den Aufbau eines virtuellen Designzentrums, das insbesondere mittelständischen Unternehmern den Zugang zu der FDSOI und 22FDX® Halbleitertechnologie ermöglichen soll.

(stw)

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