20-nm-Schwelle durchbrochen ST startet IC-Fertigung mit neuem 18-nm-FD-SOI-Prozess und ePCM

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18 statt 40 Nanometer, Phasen-Wechsel-Speicher statt Flash: Das neue FD-SOI-Produktionsverfahren verspricht schnellere, energieeffizientere Chips, während der nichtflüchtige ePCM-Speicher hilft, den Flächenbedarf der ICs zu reduzieren. Erste auf dem neuen Prozess basierende STM32-Mikrocontroller will ST in der zweiten Hälfte des Jahres 2024 an ausgewählte Kunden liefern.

STMicroelectronics (ST) erweitert seine Halbleiterfertigung um einen fortschrittlichen CMOS-Fertigungsprozess auf Basis der 18-nm-FD-SOI-Technologie (Fully Depleted Silicon On Insulator) mit eingebettetem Phasenwechsel-Speicher (ePCM, Embedded Phase Change Memory). „Für ST ist dies ein überaus wichtiger Schritt“, hebt Remi El-Ouazzane, President der Microcontrollers, Digital ICs and RF Products Group, im Pressegespräch die Bedeutung der Ankündigung hervor. Die neue Prozesstechnik hat der europäische Chiphersteller gemeinsam mit dem südkoreanischen Auftragsfertiger Samsung Foundry entwickelt. Bereits 2019 hatte ST Mikrocontroller auf Basis von FD-SOI und ePCM angekündigt und in einem 28-nm-Prozess ein 16-Mbit-ePCM-Array gefertigt.

FD-SOI ist eine sehr interessante CMOS-Prozesstechnologie, bei der eine sehr dünne, verarmte Siliziumschicht – diese bildet den Kanal des Transistors – durch eine ebenfalls dünne, isolierende Oxidschicht vom darunter liegenden Silizium-Substrat getrennt wird. Diese als „buried oxid“ oder kurz BOX bezeichnete Technik verhindert den Abfluss von Elektronen aus dem Kanal in das Substrat. Die vergrabene Oxidschicht verringert zudem die parasitäre Kapazität zwischen Source und Drain, was wiederum höhere Schaltgeschwindigkeiten und somit eine höhere Performance ermöglicht. Weitere Vorteile sind bessere elektrostatische Eigenschaften der Transistoren sowie geringeres Rauschen und höhere Verstärkung (bis zu +15 dB) im Vergleich zu Bulk-CMOS-Technologien.

Durch die ohnehin stromsparende FD-SOI-Technik lässt sich der Arbeitspunkt der integrierten Transistoren gezielt so einstellen (Biasing), dass ein zur Applikation passendes Verhältnis von Rechenleistung und Energieeffizienz erzielt wird. Dies ermöglicht laut El-Ouazzane einen „Sprung bei der Rechenleistung und bei der Energieeffizienz für Embedded-Processing-Anwendungen“. Gleichzeitig erlaube es der Einsatz von ePCM, die Chipfläche besser auszunutzen, „das bedeutet mehr Speicher und ein höheres Maß an Integration analoger und digitaler Peripherie“.

Vorteile der Technologie

Im Pressegespräch liefern El-Ouazzane und Ricardo De Sa Earp, Executive Vice President der General-Purpose Microcontroller SubGroup sowie der Microcontrollers, Digital ICs and RF Products Group einige Details. Demnach verbessert 18-nm-FD-SOI mit ePCM die wichtigsten Leistungskennzahlen im Vergleich zur derzeit von ST verwendeten 40-nm-Technologie für eingebettete nichtflüchtige Speicher (eNVM) erheblich: So sei das Verhältnis von Rechenleistung zu Stromaufnahme (performance-to-power) mehr als 50 Prozent besser, die um Faktor 2,5 höhere Dichte des nichtflüchtigen Speichers (NVM) ermögliche größere On-Chip-Speicher, und auf gleicher Fläche ließen sich dreimal mehr digitale Peripheriegeräte wie KI- und Grafikbeschleuniger und modernste Sicherheitsfunktionen integrieren. Darüber hinaus verbessere die 18-nm-FD-SOI-Technik die Rauschzahl um 3 dB, wodurch Wireless-MCUs mit höherer Funkleistung punkten könnten.

Besonders für den Einsatz im industriellen Umfeld ist wichtig, dass die Bausteine mit 3 V betrieben werden können. Etwa, um analoge Funktionen wie Power Management, Reset-Systeme, Taktquellen und Digital/Analog-Wandler zu versorgen. „Es ist die einzige Technologie unter 20 nm, die diese Fähigkeit unterstützt“, sagt De Sa Earp. Im Einsatz bei Automotive-Anwendungen hätte sich die FD-SOI-Technik bereits mit robustem Hochtemperaturbetrieb, weitreichende Unempfindlichkeit gegenüber Strahlung und sicheren Datenspeicherfähigkeiten ausgezeichnet. Auch die 18-nm-Prozesstechnik werde überaus zuverlässig funktionieren, ist der Manager sicher.

Vorteile für Entwickler und Kunden von STM32-Mikrocontrollern

El-Ouazzane erkärt, ST habe seinen Kunden FD-SOI- und PCM-Technologien bereits für Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen bereitgestellt. „Jetzt gehen wir den nächsten Schritt, um die Vorteile dieser Technologien auch Entwicklern industrieller Anwendungen zugänglich zu machen, beginnend mit unseren STM32-Mikrocontrollern der nächsten Generation.“ Diese Bausteine der „nächste Generation“ würden ab der zweiten Jahreshälfte 2024 an ausgewählte Kunden ausgeliefert, die Volumenproduktion ist für die zweite Jahreshälfte 2025 geplant.

Die neue 18-nm-Technologie ermögliche die Fertigung einer neuen Klasse von leistungsstarken, stromsparenden und drahtlosen MCUs, erklärt De Sa Earp. Dazu würden auch neue Ultra-Low-Power-Bausteine zählen. Die größeren möglichen Speichergrößen würden den wachsenden Bedarf an Edge-KI-Verarbeitung, Multiprotokoll-RF-Stacks, Over-the-Air-Updates und erweiterten Sicherheitsfunktionen unterstützen. „Die hohe Leistung und die großen Speichergrößen geben Entwicklern die Möglichkeit, statt Mikroprozessoren hochintegrierte und kostengünstigere Mikrocontroller für ihre Designs einzusetzen.“

De Sa Earp lässt durchblicken: „Der erste Mikrocontroller, der auf dieser Technologie basiert, wird auf dem fortschrittlichsten Arm Cortex-M-Kern basieren.“ Dieser böte mehr verbesserte Rechenleistung für maschinelles Lernen und digitale Signalverarbeitungsanwendungen. An Bord seien zudem schnelle und flexible externe Speicherschnittstellen, fortschrittliche Grafikfunktionen und zahlreiche analoge und digitale Peripherieeinheiten. „Außerdem verfügt er über die fortschrittlichen, zertifizierten Sicherheitsfunktionen, die bereits bei den neuesten MCUs von ST eingeführt wurden.“ (me)

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