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Halbleitertechnik Vier Technologie-Trends, auf die man 2016 achten sollte

| Autor / Redakteur: Kristin Rinortner / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Smart Power und Hochvolt-Schaltungen, Industrie 4.0, Semi-autonome Systeme und die Mobilfunk-Infrastruktur treiben im Jahr 2016 die Innovationen in der Halbleiterindustrie voran.

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Industrie 4.0: Die Halbleiterindustrie fungiert als treibende Kraft für zahlreiche Innovationen in vielen neuen Märkten.
Industrie 4.0: Die Halbleiterindustrie fungiert als treibende Kraft für zahlreiche Innovationen in vielen neuen Märkten.
(Bild: TI)

Alles um uns herum scheint immer intelligenter, vernetzter und mit einem immer größeren Gehalt an Elektronik angereichert zu werden. Innovationen in der Halbleitertechnologie trieben in den letzten Jahren die schnelle Weiterentwicklung neuer Produkte im Bereich elektronischen Kleingeräte, auf dem Automotive-Sektor, in der Fertigung und auf vielen anderen Märkten voran. Der Artikel zeigt wichtige Trends und erklärt die Rolle der Halbleiterindustrie, die als treibende Kraft für weitere Innovationen in vielen neuen Märkten fungieren kann.

1. Smart Power und Hochvolt-Schaltungen: Das Streben nach mehr Energieeffizienz wird immer stärker. Die Optimierung der Schaltungs-Topologien und der Leistungshalbleiter sowie fortschrittliche Gehäusetechniken haben eine Steigerung der Leistungsdichte auf mehr als 1 kW pro Kubikzoll (ca. 16 W/cm³) ermöglicht. Im Bereich des Power Managements zeichnen sich verschiedene Trends ab:

  • Zur Unterstützung neuer Cloud-Dienste und sozialer Netzwerke werden die Serverfarmen immer größer. Die Tatsache, dass die Zahl der Server und der Datenverkehr rapide zunehmen, verleiht der Effizienz des Power Managements immer mehr Bedeutung. Die Forderung nach mehr Effektivität für Server – von der Netzspannung bis zum Point of Load (PoL) – hat zu neuen Wandlerarchitekturen und Schaltungs-Topologien geführt, mit denen die Leistungsdichte angehoben und die Zahl der Wandlerstufen verringert werden soll.
  • Gefragt sind kleinere und schnellere Ladegeräte für portable Geräte. HöhereSchaltfrequenzen und verbesserte Leistungsbausteine haben gemeinsam eine höhere Energieeffizienz ermöglicht, was die Basis für kompaktere Netzadapter darstellt. Um Sicherheit zu gewährleisten, sind damit einhergehend die Zahl der Vorschriften in diesem Sektor gewachsen.
  • Smart-Power-Lösungen kommen in vielen Anwendungen zum Einsatz, so zum Beispiel in LED-Array-Controllern für den Automotive-Bereich, in Hochleistungs-Servern und im Batteriemanagement für Drohnen und E-Bikes, die hohe Ansprüche an die Leistung und das Drehmoment stellen. Mit einer Kombination aus digitalen und analogen Regelkreisen lässt sich bei unterschiedlichen Lastströmen ein Effizienzgewinn erzielen. Viele Leistungs-lösungen bieten außerdem eine extrem niedrige Stromaufnahme im Standby- und Sleep-Modus.
  • Der Markt für alternative Energien, zu dem die Photovoltaik sowie Elektro- und Hybridfahrzeuge gehören, verzeichnet gesunde Wachstumsraten. In der Folge steigt der Halbleitergehalt in Anwendungen mit höheren Spannungen, speziell im Bereich von 600 bis 1200 V, weiter an. Lange erwartete III-V-Halbleiter, wie Galliumnitrid und Siliziumkarbid, stehen vor einer großen Zukunft, was den Weg für neue Anwendungen ebnet.

2. Industrie 4.0: Die Umstellung auf die intelligente Fertigung und Lagerbestandsverwaltung hat begonnen. Bei wichtigen Technologien für diesen Umstieg, darunter etwa stromsparende Verbindungstechnik, Embedded Processing und Embedded Sensing, wurden entscheidende Fortschritte erzielt, was die Bereitstellung stromsparender, intelligenter und vernetzter Sensing-Lösungen betrifft. Damit sich aber das Konzept Industrie 4.0 schneller und in größerem Umfang durchsetzen kann, müssen Lösungen für die Aspekte Sicherheit und Zuverlässigkeit gefunden werden.

Multimodale Sensor-Lösungen, beispielsweise für Feuchtigkeit, Temperatur und Druck, sind Bestandteil vieler Industrie- und Gebäudeautomatisierungssysteme. Eine extrem geringe Leistungsaufnahme ist entscheidend für die Batterielebensdauer und letztendlich auch für das Energy Harvesting. Weniger als 1 µW im Standby-Status und unter 100 nA im Sleep-Modus sind dank effizienter Power-Management- und Signalketten-Lösungen inzwischen machbar. Mit integrierten Ultraschall- und Mikrowellen-Sensorlösungen im Verbund mit analogen und digitalen Signalprozessoren lassen sich neben neuen multimodalen Funktionalitäten in Durchflussmesser- und Diagnosesystemen auch andere industrielle Anwendungen realisieren.

3. Semi-autonome Systeme: Der Elektronikgehalt ist weiterhin das Alleinstellungsmerkmal neuer Kraftfahrzeuge. Fahrerassistenzsysteme in semi-autonomen Fahrzeugen verlassen zunehmend den Beta-Status und werden über Fahrzeuge der Luxusklasse hinaus auch in Mainstream-Modellen verbaut. Der umfangreiche Einsatz von Kameras (bis zu 10 Stück pro Fahrzeug) sowie die Integration von Radar, Sonar und langfristig auch Lidar, die nach schnelleren Schnittstellen und hierarchischer Signalverarbeitung verlangen, haben die Voraussetzungen für das intelligente Auto geschaffen.Diese Technologien machen unter anderem Eigenschaften wie Kollisionsvermeidung, Fahrspurerkennung und Smooth Hovering zu erschwinglichen Preisen möglich.

Fortschrittliche Stromversorgungslösungen in intelligenten Beleuchtungs-Subsystemen für LED-Arrays, bidirektionale Leistungswandlung, aber auch Hochvolt-Treiber und -Geräte in Fahrzeugen mit Elektro- und Hybridantrieb sind nur wenige Beispiele für den wachsenden Anteil von Leistungshalbleitern in Fahrzeugen.

Roboter arbeiten in der Medizin und in der Produktion zunehmend Hand in Hand mit dem Menschen. Hieraus resultiert die drängende Forderung nach adaptiven Sensor- und Lernfunktionen. Ein breites Spektrum von Sensorsystemen, darunter die Fusion hochauflösender Strom-, taktiler-, Ultraschall- und Optiksensoren, werden inzwischen in verschiedenen leichten Robotern und Drohnen eingesetzt. Zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien gehören extrem stromsparende Sensorlösungen mit lokalen Analysefunktionenund präzisen Antrieben.

4. Mobilfunk-Infrastruktur: Der Wunsch, jederzeit und überall auf Multimedia-Inhalte, soziale Netzwerke, eCommerce-Angebote und andere datenintensive Anwendungen zuzugreifen, steigert die Nachfrage nach drahtlosen Übertragungstechniken mit immer höheren Datenraten. Die in GBit/s pro km² und MHz angegebene maximale Datendichte in vielen bedeutenden Städten auf der ganzen Welt nimmt weiter zu. Trotz der Einführung von LTE bestehen an den Hot Spots gewisse Grenzen bezüglich der maximalen Datenrate. Zur Steigerung der Netzwerkkapazität wurden Kleinzellen entwickelt. Diese konnten sich jedoch nicht im erwarteten Umfang durchsetzen, weil sich die Geschäftsmodelle für ihren Einsatz noch in der Entwicklung befinden.

Entwickelt hat sich dagegen ein neues Modell für Enterprise Cloud Services. Es basiert auf Kleinzellen-Diensten, die unabhängig von den Großzellen-Infrastrukturen sind. Kooperationen zwischen OEMs und Betreibern in einigen Märkten (darunter China) haben kombinierte Kleinzellen-LTE- und Wi-Fi-Dienste unterstützt. Allerdings bleiben das reibungslose Roaming zwischen Mobilfunk und Wi-Fi sowie die Installation der dezentralen Antennensystemen hinter den Erwartungen zurück.

Wünschenswert für Kleinzellen ist eine kleine, stromsparende und dennoch flexible Funklösung, die sich per Power over Ethernet (PoE) versorgen lässt. Neue Funk-Architekturen, die den sich weiter entwickelnden Anforderungen der Kleinzellen gerecht werden können, stützen sich auf extrem breitbandige Funk-Schaltungen jenseits von 100 MHz sowie auf flexible Technologien wie die HF-Abtastung. Ein geringerer Jitter und programmierbare Taktreferenzen sind ebenfalls entscheidend für viele neue Basisstationssysteme. Die Abwägung zwischen Leistungsaufnahme und Flexibilität hat zum Entstehen einer ganzen Palette von Basisband-Architekturen geführt – von Low-Power-Lösungen über leistungsfähige DSPs und ASICs bis zu FPGAs.

Einige Segmente des Konsumentenmarkts standen dank ihrer hohen Zuwachsraten in den letzten Jahren im Mittelpunkt der Innovation und des Wachstums. Vermehrte Innovationsmöglichkeiten sollten sich ergeben, wenn die zunehmende Elektrifizierung in anderen Märkten, wie dem Industrie- und Automotive-Sektor, neue Eigenschaften mit einem höheren Grad an Effizienz und Zuverlässigkeit ermöglicht. Innovationen im Power- und Signalverarbeitungs-Bereich können die Systemlösungen weiter optimieren, was unmittelbare Vorteile für die Anwender hat. TI, mit seinem äußerst vielfältigen Portfolio in den Bereichen Power Management, Analog und Embedded Processing, beteiligt sich aktiv daran, die Innovation auf dem Gebiet der neuen Schaltungen, Bauelemente und Gehäuse weiter voranzutreiben, um neue Systemlösungen zu optimieren.

Dieser Beitrag stammt von unserer Schwesterpublikation ELEKTRONIKPRAXIS.

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