Stromsparende Mobiltransistoren

Ein verbessertes Chipdesign könnte den Energieverbrauch mobiler Geräte um rund die Hälfte reduzieren.

Tragbare Mobilgeräte wie die Datenbrille Google Glass oder die Smartwatch Samsung Galaxy Gear leiden unter einem grundlegenden Problem: Sie müssen mindestens einmal am Tag aufgeladen werden.

Forscher beim Halbleiterspezialisten SuVolta wollen nun mit einem neuen Chipdesign Abhilfe schaffen. Das Unternehmen forscht bereits seit 2006 an der Energieeffizienz von Transistoren, dem Grundbaustein jedes Prozessors, und konnte gerade 62 Millionen Dollar an Risikokapital einsammeln.

Wie die neue Technik funktioniert, zeigten SuVolta-Mitarbeiter kürzlich auf einer Expertenkonferenz. Im Rahmen eines Experimentes wurde demonstriert, was passiert, wenn man mit dem neuen Design einen bestehenden Chip nachbaut. Die SuVolta-Version verbrauchte nur die Hälfte der Energie – bei gleicher Verarbeitungsgeschwindigkeit. Blieb es beim bisherigen Energiebedarf, konnte die Geschwindigkeit um immerhin 35 Prozent erhöht werden.

Die neuartige Transistorengestaltung ist derzeit noch nicht dafür geeignet, in Hochleistungschips eingesetzt zu werden. Allerdings passe sie gut zu jener Hardware, die derzeit im Bereich tragbarer IT so beliebt seien, meint SuVolta-Technikchef Scott Thompson. "Es geht nicht mehr darum, eine Personalcomputer-CPU für 200 Dollar zu bauen", sagt er, "es geht um ein 100-Dollar-Handy oder andere kostengünstige Mobilgeräte".

Der Chip, dem SuVolta sein Upgrade verpasst hat, war ein Cortex M0 von ARM, dessen Grundlagentechnik heute in den meisten tragbaren Produkten steckt, die beispielsweise von Apple und Samsung produziert werden. Der M0 ist ein einfacher Chip, den ARM als Benchmark für leistungsfähigere Designs verwendet, sagt David Kidd, Seniordirektor des Bereiches Digital Design bei SuVolta.

Das Design spart Strom, in dem es die Leistungsbedarfsschwankungen der verschiedenen Transistoren auf einem Chip reduziert. Der unterschiedliche Energiebedarf ergibt sich aus kleinen Materialunreinheiten. Diese sorgen dafür, dass einige der Bauteile mehr Spannung benötigen, um korrekt zu arbeiten. Das verschwendet Energie, weil die Gesamtspannung auf einem Niveau liegen muss, das die Arbeit aller Transistoren garantiert. Viele erhalten also mehr Saft als tatsächlich notwendig.

Das SuVolta-Design reduziert die Schwankungsbreite zwischen den Transistoren, indem jene Kanäle modifiziert werden, die den Stromfluss zum Transistor zulassen oder blockieren. SuVolta trennt einen solchen Kanal in drei Schichten auf, in die Spuren bestimmter Stoffe eingebaut werden, die die elektrischen Eigenschaften des Siliziums verändern. Das physikalische Zusammenspiel dieser drei Schichten sorgt dafür, dass Transistoren gegen materialbedingte Leistungsschwankungen immun sind.

Das Verfahren kann ohne große Veränderungen in aktuellen Produktionsstätten eingeführt werden, sagt SuVolta. Das gilt nicht für konkurrierende Verfahren wie das 3D-Transistor-Design FinFET, das von Intel entwickelt wurde und auch von seinen Konkurrenten eingesetzt wird. Hierfür müssten die Fabrikationsstätten stark umgebaut werden.

SuVoltas Prozess wird die Leistung der Chips aber nicht so leicht erhöhen, wie das FinFET-Transistoren tun. Mike Demler, Analyst bei der Halbleiterberatung Linley Group, meint, dass das die Durchsetzung der SuVolta-Technik für Mobilgeräte behindern könnte. "Die Transistoren funktionieren, aber sie werden im Vergleich zu FinFETs immer langsamer sein."

SuVolta-Mann Thompson ficht das nicht an. Es sei bislang noch kein einziges Handy mit FinFET-Chips auf dem Markt und werde lange dauern, bis die Technik in andere Mobilelektronik vordringt. "Niemand denkt darüber nach, FinFET in einer Smartwatch zu verbrauen – oder die Technik für das Internet der Dinge zu nutzen." (bsc)