Neue Forschungsfelder in der Microelektronik und Forschungsfelder im Mixed-Signal-Schaltungsentwurf

Aufgrund des langjährigen exponentiellen Rückganges der Produktionskosten bei integrierten Schaltungen –oft auch als Mooresches Gesetz bezeichnet- hat die Halbleitertechnik und insbesondere die CMOS-Technologie unsere Welt im letzten Jahrzehnt grundlegend verändert. Sie stellt sich heute als die treibende Kraft für Wachstum in der Elektronikindustrie dar. Ob sich die Herstellungskosten pro Transistor wie von Gordon Moore vorhergesagt in Zukunft weiterhin nach einem Exponentialgesetz reduzieren lassen ist fraglich geworden. Deswegen ist es für die weitere Optimierung von Halbleiterschaltungen umso wichtiger ein tiefergehendes Verstehen, Erforschen und Optimieren der Bauteile, Schaltungen und des Systementwurfs voranzutreiben.

In der Vergangenheit lag das Hauptaugenmerk der Bauteil- und Systementwickler oftmals auf der Weiterverwendung bestehender Schaltungsgenerationen und weniger auf grundsätzlichen Leistungsfähigkeits- und Strukturoptimierungen für neue Nutzungsfelder. Abgesehen von erforderlichen Ergänzungen und Erweiterungen für den konkreten Bedarf einer Anwendung, sind die allermeisten Schaltungen und Gesamtsysteme als standardisierte CPUs mit Speicher konzipiert. Analoge Blöcke basieren heutzutage meistens auf hochoptimierten Standardtopologien wie Operationsverstärkern, Komparatoren, AD- und DA-Wandlern, die oft sogar als diskrete Blöcke einem anwendungsspezifischen Gesamtsystem hinzugefügt werden.

Dieses Entwurfsvorgehen ist oftmals nicht das bestmögliche für die Endanwendung. Hier gibt ein großes Potential für Forschung und Entwicklung: anstatt vorhandene Standardtopologien zu optimieren, können die Schaltungen ebenso gut den Systemanforderungen entsprechend entworfen und das Gesamtsystem anschließend anwendungsspezifisch optimiert werden. Diesem Ansatz folgend eröffnet sich ein umfangreiches Forschungsfeld mit einem weitaus größeren forschungsspezifischem, aber wirtschaftlichen Entwicklungspotential als es die reine Schaltungsoptimierung auf Blockebne bietet. Zudem ermöglicht dieser Ansatz anforderungsoptimierte und damit anwendungsgerechtere Endprodukte bei deutlich reduzierten Produktionskosten und geringerem Energieverbrauch, was letztendlich alles und auch jeder Punkt für sich zu einem volkswirtschaftlichen Mehrwert führt.

Sensoren stellen die Augen, Ohren, Haut und Nase der elektronischen Anwendungen dar und werden als intelligente Komponenten oder als System eine immer wichtigere Quelle für umgebungsspezifische Informationen. Wir erwarten, dass Sensoren und Sensoranwendungen sich zu Schlüsselkomponenten für viele neue Anwendungen entwickeln werden. Kompakte Sensoren zur Erfassung physikalischer Größen existieren bereits heute für zahlreiche Anwendungen. Für die Zukunft erwarten wir, dass die Sensoren deutlich vielseitiger und intelligenter werden. Hierin öffnet sich nebenbei auch ein interessantes Themenfeld für Anwendungen der Künstlichen Intelligenz (die am Lehrstuhl auch schaltungstechnisch untersucht wird). Gleichzeitig werden Sensoren durch Fortschritte in Schaltung und Technologie billiger. Diese Randbedingungen ermöglichen es, dass Sensoren mehr und mehr neue Anwendungsfelder erschließen. Letztendlich ist dabei auch die Kommunikation zwischen den Sensoren von großer Bedeutung, da nur so Daten an vielen Orten großräumig erfasst werden können. Schaltungen für Kommunikationsschnittstellen von Sensoren sind dabei ein entscheidendes und verbindendes Element für alle Sensorentwicklungen am Lehrstuhl. Die Kombination von kleinstmöglichen, intelligenten Sensoren mit Kommunikationsschnittstellen und ihre Häufigkeit an vielen Orten steigert damit den Wert der Sensorinformationen für das Gesamtsystem und die Anwendung, denn nur so können Sensorwerte extrapoliert werden und Informationen so redundant aufgenommen werden das ein genaues aber auch zuverlässiges Gesamtbild entsteht.

Abschließend möchte ich ein konkretes Beispiel aufzeigen um diese Forschungsansätze und Ihre Zusammenhänge zu verdeutlichen: Roboteranwendungen im menschlichen Arbeitsumfeld müssen sich so verhalten wie reale Menschen, wenn sie in derartigen Umgebungen zum Einsatz kommen. Eine Vielzahl an Sensoren sowie entsprechende Schnittstellen und signalverarbeitende Algorithmen sind erforderlich um Bewegungen zu steuern, Hindernisse zu umfahren, Kollisionen zu vermeiden, um die Ecke zu sehen, die richtige Arbeit zu tun und sich auch auszuruhen, wenn die Energie erschöpft ist. Dabei können und sollten sich die dazu notwendigen Sensorsysteme so verhalten wie wir es als Menschen von unseren Sinnen (das Äquivalent zu den Sensorsystemen) gewohnt sind – das Ziel ist nicht notwendigerweise eine hohe Auflösung eines klassischen Sensorparameters, sondern die Interpretation im Kontext (‚das riecht gefährlich / fühlt sich falsch an‘) …