Chip-Designs und -Fertigung Wie sich mit ASICs die Kontrolle über die Lieferkette zurückgewinnen lässt

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Disruptionen durch Pandemie oder Krieg haben gezeigt, wie leicht globale Lieferketten zum Stillstand kommen können. OEMs benötigen wieder mehr Kontrolle, müssen aber zeitgleich Flexibilität, Stabilität und Widerstandsfähigkeit ihrer Systeme garantieren können. Gerade der klassische ASIC-Ansatz kann hier neue Spielräume eröffnen.

Die Nachwirkungen der Corona-Pandemie haben gezeigt, wie leicht Lieferketten zum Stillstand kommen können. OEMs waren nicht in der Lage, selbst relativ einfache Bauteile für ihre Leiterplatten zu beschaffen – einfach weil die Halbleiterhersteller anderen Produktlinien Vorrang eingeräumt hatten, um angesichts der Engpässe profitabel zu bleiben.

Mehrere weitere Komplikationen – von einem Brand bei Renesas über die Blockade des Suez-Kanals bis hin zum Russland-Ukraine-Krieg – setzten die Lieferketten weiter unter Druck. Hinzu kommen politische und wirtschaftliche Komplikationen im Jahr 2024, wobei einige Prognosen davon ausgehen, dass der Konflikt zwischen Israel und Gaza die Weltwirtschaft in eine Rezession stürzen könnte.

OEMs müssen versuchen, die Kontrolle über ihre Lieferketten wiederzuerlangen. Dabei gibt ihnen der Weg über ASICs mit kostengünstigen, kundenspezifischen Halbleiterdesigns die Flexibilität, Transparenz, Stabilität und Widerstandsfähigkeit zurück, die eine Lieferkette braucht.

ASICs schützen, wenn wichtige Bauteile veralten

Ein klarer Vorteil der ASIC-Methode besteht darin, dass die Konsolidierung mehrerer vorhandener Bauteile in einem einzigen Chip möglich ist – unter Berücksichtigung der Systemarchitektur. Damit reduziert sich die Anzahl der für die Fertigstellung des Systems erforderlichen passiven Bauelemente. Der Einsatz von ASICs verringert nicht nur die Stückliste, sondern auch die Montagekosten und sorgt für ein einfaches PCB-Layout. Durch die Integration lässt sich zum Beispiel der Bedarf an hochdichten Verbindungsleitungen auf der Leiterplatte verringern.

Es gibt noch weitere, längerfristige Vorteile bei der Einführung eines ASIC für grundlegende Teile des Endprodukts. Da ihre Margen ständig unter Druck stehen, bewerten die Hersteller von Standardprodukten ihre Produktlinien häufig neu. Abgesehen von denen, für die sie langfristige Verpflichtungen eingegangen sind, werden weniger beliebte Bauelemente von den Chipherstellern schnell als veraltet eingestuft. Die Zulieferer bieten Kunden, die auf die betroffenen Teile angewiesen sind, die Möglichkeit eines Last-Minute-Kaufs. Sobald jedoch die Lagerbestände erschöpft sind, steht der OEM vor der Wahl, entweder ein teures Redesign durchzuführen oder seine eigenen Produkte veralten zu lassen.

Reine Foundries wie TSMC und GlobalFoundries haben jedoch nur selten etablierte Prozesstechnologien überholt. Ich glaube sogar, TSMC hat noch nie einen etablierten Prozess überholt. Führende Foundries haben die Produktion von Wafern für Technologien beibehalten, die erstmals vor mehr als zwei oder sogar drei Jahrzehnten eingeführt wurden. Dies schafft ein hohes Maß an Vertrauen, sodass ein ASIC, der sogar auf einem ausgereiften Prozessknoten hergestellt wurde, viele Jahre lang in Produktion bleiben kann.

Außerdem besteht in Zeiten der Knappheit das Risiko, dass Foundries die Nachfrage nicht bedienen können. Für ASIC-Kunden ist dies weniger wahrscheinlich: In der Regel wird die für ein Design benötigte Menge an Wafern lange vor Produktionsbeginn ausgehandelt und gebucht, kann aber einer bestimmten Zuteilung unterliegen oder es wird ein Preisaufschlag erhoben, um die Kapazität zu sichern.

Kosten bei der Entwicklung neuer ASICs senken

Jeder ASIC, der zum Schutz vor wirtschaftlichen Problemen in der Lieferkette erstellt wird, muss so kosteneffizient wie möglich entwickelt werden. Ja, ASICs haben den Ruf, teuer zu sein – und das mag stimmen, wenn man Tesla oder Facebook heißt und auf der Suche nach neuen, kundenspezifischen Halbleitern in geringen Stückzahlen im Sub-7nm-Bereich ist. Aber ein gut konzipierter ASIC muss nicht teuer sein.

Die Unterstützung für nichtflüchtige Speicher, die Anzahl der Logikgatter, die Speicheranforderungen, die Spannungspegel, die Verfügbarkeit von IP und die Kosten sind allesamt Überlegungen, die sich auf die Prozessauswahl und die in den ASIC integrierten Funktionen auswirken.

In vielen Fällen sind die analogen Schnittstellen und andere unterstützende Schaltungen auf älteren Prozessknoten wirtschaftlicher, da die Transistoren und anderen integrierten Bauteile nicht in der gleichen Weise skalieren wie Logik- oder Speichertransistoren. Sie laufen idealerweise auf größeren, kostengünstigeren Prozessen.

Was aber, wenn die Funktion einen fortschrittlicheren Prozess erfordert?

Nehmen wir zum Beispiel einen kundenspezifischen ASIC für eine Automotive-Anwendung. Dieser benötigt einen Multicore-Prozessorkomplex, wie er in feldprogrammierbaren Highend-SoCs wie dem AMD Versal zu finden ist.

Diese SoCs werden in einem 7-nm-Prozess gefertigt und kombinieren mehrere hochleistungsfähige Arm-Cores mit einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FGPA) und schnellen seriellen Schnittstellen. Sie eignen sich daher ideal für das Prototyping und die Produktion von Kleinserien.

Bei der Umwandlung in einen ASIC lassen sich die FPGA-Schaltkreise auf deutlich älteren Prozessknoten effizient und zu wesentlich geringeren Kosten implementieren. In diesem Fall benötigte die Zielanwendung jedoch einen niedrigen Stromverbrauch sowie die hohe Taktrate und Speicherkapazität mehrerer Arm-Prozessor-Cores auf einem 7-nm-Prozess. Die Lösung bestand darin, ein Standardprodukt zu wählen, das die Cores und seriellen Schnittstellen enthält. Über PCIe wurde dann eine Verbindung zu einem begleitenden ASIC hergestellt, der die gehärteten FPGA-Logikschaltungen und alle nicht im Standardprozessorprodukt enthaltenen Funktionen integriert.

Probleme bei der Bauteilversorgung beheben

Der oben beschriebene Ansatz senkt zwar den Stromverbrauch und die Kosten, macht das System aber auch wieder von einem einzigen Unternehmen/Produkt abhängig – und ist damit anfällig für das Ende der Lebensdauer eines Bauteils sowie für einfache Probleme hinsichtlich der Verfügbarkeit.

Um den ASIC (und das System) von diesem einen Produkt zu entkoppeln, muss sichergestellt werden, dass mehrere Optionen zur Verfügung stehen und, falls erforderlich, alle Funktionen im ASIC dupliziert werden können. Im obigen Beispiel eines ASICs für die Automotive-Branche wurden zusätzliche I2C- und CAN-Schnittstellen hinzugefügt, um die Schnittstellen zu imitieren, die für die ursprüngliche Auswahl des Standardprozessors ausschlaggebend waren.

Bedenkt man beim Entwurf des ASICs die langfristigen Möglichkeiten für andere Komponenten im System, lassen sich auch deren Lieferprobleme abmildern. Gibt es für andere Bauteile mit der geforderten Spezifikation mehrere Anbieter oder nur einen? Wie lassen sich Alternativen integrieren, ohne das System oder den ASIC, wie er entworfen wurde, zu beeinträchtigen?

Ein weiteres Beispiel ist ein Patienten-Überwachungspatch für einen Kunden aus der Medizintechnik. Hier wurden ein analoges Frontend, Bluetooth Low Energy (BLE), ein Arm-CPU-Core und Flash-Speicher benötigt. All dies in 55nm-Technologie zu integrieren, würde aufgrund der Kosten für Masken, BLE-IP und Arm-Lizenzen mehrere Millionen US-Dollar kosten. Daher war es kosteneffizienter, einen Standard-BLE-IC und ein separates analoges Frontend-ASIC zu verwenden, das auf 130 nm mit weniger IP entwickelt wurde. Dies senkte die Entwicklungskosten im Vergleich zu einem vollständig integrierten Ansatz erheblich.

Dieser Ansatz erfordert jedoch Redundanz, um eine langfristige Nutzung zu gewährleisten: Bei der Spezifikation des ASICs haben wir sichergestellt, dass er mit mehreren Standard-BLE-ICs zusammenarbeitet.

Diese Kompatibilität erforderte die Duplizierung einiger Funktionen im ASIC, z. B. ein zusätzlicher GPIO, sowie I2C- und SPI-Schnittstellen und Power-Management-Funktionen (DC/DC-Wandler), um den ASIC mit alternativen Standard-BLE-ICs von Nordic, ST und Silicon Labs kompatibel zu machen.

Produktionsunterbrechungen und geopolitische Einflüsse

In der heutigen Lieferumgebung werden häufig alle Komponenten eines Systems aus einer Hand bezogen, mit Ausnahme der einfachsten. ASICs bieten eine gewisse Flexibilität, die mit Standardbauteilen nicht möglich wäre.

Wie erwähnt, werden die Komponenten von den Zulieferern zugeschnitten, nicht aber die Prozesse in den Fertigungsstätten. Aber was passiert, wenn eine Fab ausfällt? Beispiele sind ein Brand (z. B. Renesas 2021), eine Dürre (selbst mit enormem Wasser-Recycling sind Fabs intensive Wasserverbraucher, und die Dürre in Taiwan 2021 schränkte die Wassernutzung in Regionen mit Fabs von TSMC und Micron ein). Auch Erdbeben, ein Tsunami oder Kriegshandlungen zählen zu diesen Szenarien.

Die Antwort liegt im Design für Fertigungssicherheit. Dabei werden die Beziehungen des ASIC-Entwicklers zu den Fabs genutzt, um nach Möglichkeit mehrere Produktionsstandorte zu ermöglichen.

Es sollte betont werden, dass dies kein Argument für Verträge mit mehreren Wafer-Foundries ist: Die Design-Kits werden sich unterscheiden, ebenso wie die Verfügbarkeit prozessspezifischen (harten) IPs, was das Schaltungsdesign und -layout in vielerlei Hinsicht beeinflussen und die Kosten unangemessen erhöhen würde.

Stattdessen ist es möglich, einen einzigen Hersteller mit mehreren Fabs zu spezifizieren. TSMC beispielsweise schützt sich vor Tsunamis und Erdbeben, indem es zwei Fabs auf der Nord- und der Südinsel Taiwans unterhält.

Darüber hinaus ist eine geografische Trennung auch bei den größeren Foundries möglich, die für ihre beliebten Prozesse weiterhin an mehr als einem Standort produzieren. TSMC hat vor kurzem eine Fab in Deutschland, Japan und den USA angekündigt, und GlobalFoundries hält einige seiner Prozessknoten in Singapur und Deutschland bereit. Und obwohl diese Fertigungsstätten nicht alle Prozessknoten anbieten (TSMC Deutschland wird beispielsweise nur 28/22nm-Planar-CMOS und 16/12nm-FinFET produzieren), ist es möglich, den Prozess auszuwählen, um zusätzliche Widerstandsfähigkeit zu schaffen.

Die größere geografische Reichweite bedeutet auch, dass man sich darauf verlassen kann, wenn ein Kunde verlangt, dass Bauteile in einem bestimmten Land hergestellt oder getestet werden (oder auch nicht).

Die-/Chip-Bänke verschaffen Zeit, auch bei Fab-Wechsel

Was ist, wenn der schlimmste Fall eintritt? Dann werden die Komponenten angepasst und nicht die Prozesse. Aber was passiert, wenn es doch passiert? Oder wenn eine wichtige Fertigungsstätte als einzige mögliche Option ausfällt, ohne dass es eine Sicherung gibt? Oder wenn eine Fab den Besitzer wechselt und eine Zusammenarbeit nicht mehr möglich ist?

Selbst wenn es nur einen einzigen Produktionsstandort gibt, der das am besten geeignete Verfahren anbieten kann, gibt es eine Sicherheit. In diesem Fall ist es möglich, den ASIC in Form von Wafern oder Chips zu lagern, was wesentlich kostengünstiger ist als die Vorhaltung von Bauteilen in Gehäusen und vollständig getesteten ICs auf Lager.

Solche Wafer- oder Die-/Chip-Bänke können genügend Bauelemente für bis zu ein oder zwei Jahre bereitstellen. So ist man auch für den Fall eines vorübergehenden Ausfalls gewappnet, z. B. wenn die Produktion wegen einer Dürre eingestellt wird. Die Bestände sind immer noch verfügbar, wenn sie benötigt werden, und es wird Zeit gewonnen, um ein Design auf eine alternative Produktionsstätte zu migrieren, falls dieses Worst-Case-Szenario notwendig werden sollte. Um auf Nummer sicher zu gehen, sollte man einen Chip-Vorrat für zwei Jahre anlegen. So lässt sich Zeit gewinnen, auf den neuen Baustein überzugehen und diesen zu qualifizieren.

Der letzte Schritt bei der Herstellung eines ASIC ist OSAT (Outsourced Assembly and Test). Auch hier haben die größeren OSAT-Anbieter mehrere Standorte, die eine Redundanz bei den Gehäuse- und Testvorgängen bieten. Diese Schritte werden meist kurz vor der endgültigen Auslieferung des ASICs durchgeführt. Die Verlagerung von OSATs ist jedoch ein viel schnellerer und kostengünstigerer Prozess als die Verlagerung der eigenen Fertigung. Allerdings nimmt eine vollständige Qualifizierung nach AEC-Q100 für die Automotive-Branche auch dabei viele Monate in Anspruch.  (sg)

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