Langlebige Prozessoren: Wie Chips altern und Entwickler gegensteuern
Entwickler berücksichtigen den Verschleiß von Prozessoren und anderen Halbleiter-Bauelementen schon lange. Aber steigende Anforderungen erfordern neue Methoden.
- Dr. André Lange
Halbleiterschaltkreise vereinen immer mehr Funktionen in sich: Viele Prozessoren, Grafikprozessoren und Systems-on-Chip enthalten mehrere Milliarden Transistoren. Die höhere Integration senkt die Kosten pro Funktion und ermöglicht neue Produkte überhaupt erst. Gleichzeitig sinken Platz- und Strombedarf und im Prinzip steigt die Zuverlässigkeit: Je weniger Bestandteile, elektrische Verbindungen und Leiterplatten ein Gerät enthält, desto weniger können ausfallen.
Somit rücken Zuverlässigkeit, Robustheit und Langlebigkeit der Einzelteile in den Blick, auch der Halbleiterchips: Die Entwickler dieser integrierten Schaltkreise (Integrated Circuits, ICs) müssen beim Entwurf der Funktionsblöcke Verschleißerscheinungen berücksichtigen. Sie legen ICs so aus, dass sie bei definierten Betriebsbedingungen – Spannung, Strom, Temperaturen – inklusive absehbarer Schwankungen eine festgelegte Lebensdauer überstehen. Diese Nutzungsdauer ist je nach Einsatzbereich sehr unterschiedlich: Viele Smartphones gehören schon nach zwei Jahren zum Alteisen, während die Automobilindustrie typischerweise 15 Jahre fordert – und für Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder auch Smart Meters sind noch längere Zeiträume sinnvoll.
Verschleiß von Halbleitern ist nichts Neues. Aus Erfahrungswerten für solche Effekte ermitteln IC-Entwickler Sicherheitsmargen, die sie auf bestimmte Designparameter aufschlagen. Diese "Überdimensionierung" soll sicherstellen, dass die geplante Lebensdauer auch erreicht wird. Die immer kleineren Strukturen und der Einsatz zuvor unüblicher Materialien wie Hafnium oder Kobalt in der Chipfertigung verschärfen und verändern Verschleißeffekte jedoch. Relativ bekannt ist der Effekt der Elektromigration, der zum Ausfall von Chips führen kann. Mittlerweile spielen aber auch Bias Temperature Instability (BTI) und Hot Carrier Injection (HCI) wichtige Rollen.
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