Forscher verbessern System-on-a-Chip-Lösungen

    3. Mai 2019, 08:00
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    Bei vielen Anwendungen werden ganze Computersysteme in einen einzigen Mikrochip gepackt. Je kleiner die Datenleitungen , desto größer die Probleme

    In klassischen, aktenkoffergroßen Desktop-Computern sind Prozessor, Arbeitsspeicher, Mikrokontroller, Bussysteme und Anbindungen zu diversen Anschlüssen bequem auf einer ausladenden Hauptplatine, dem sogenannten Main- oder Motherboard, angeordnet. Bei vielen Anwendungen steht aber nicht so viel Platz zur Verfügung: In Handys, Tablets oder modernen Autos werden ganze Computersysteme in einen einzigen Mikrochip gepackt. Man spricht folgerichtig von "System-on-a-Chip" (SOC).

    Man könnte annehmen, dass die Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten, die auf einen derartigen Chip integriert sind, das geringste Problem ist. Schließlich liegen sie maximal ein paar Millimeter voneinander entfernt. In Wahrheit wird mit kleineren Strukturen die Bereitstellung von Daten in ausreichender Geschwindigkeit aber zunehmend schwieriger.

    Störungen und Verzögerungen

    An der FH Kärnten arbeiten Forscher im Rahmen des dreijährigen Projekts "Ideation" gemeinsam mit Industriepartner Infineon und unterstützt von der Förderagentur FFG an der Verbesserung dieser internen Informationsübertragung. "Die Größe der Transistoren am Chip wird immer geringer. Aber die Datenleitungen im Chip können nicht im gleichen Ausmaß runterskaliert werden", sagt Michael Köberle, Projektleiter und Professor an der FH Kärnten. "Deshalb kommt den Schnittstellen sehr große Bedeutung zu."

    Je kleiner die Datenleitungen sind, desto größer werden die Probleme. Beispielsweise ist der elektrische Widerstand in den kleinsten Metallbahnen eines Chips vergleichsweise hoch. Man muss dafür sorgen, dass allerorts genug Strom zur Verfügung steht, die Energieaufnahme aber gering bleibt. Ein Übersprechen, also gegenseitiges Stören von eng benachbarten Übertragungsstrukturen, kann Störungen und Ausfälle zur Folge haben. Das alles hat zur Folge, dass die Transferraten hinter der Rechengeschwindigkeit zurückbleiben und es zu Verzögerungen kommt.

    Senden und Empfangen

    Anders als in großformatiger Netzwerktechnik fließen die Signale in den winzig kleinen Chip-Bahnen jeweils nur in eine Richtung. Wenn Komponente A sendet, muss Komponente B horchen – und umgekehrt. Man spricht dabei von Halbduplex-Betrieb. Köberle und Kollegen wollen für ihre SOCs diese Limitierung aufheben. Sie arbeiten an einem Vollduplex-System, bei dem beide Seiten gleichzeitig senden und empfangen können – was einer Verdoppelung der Übertragungsrate entspräche.

    Dabei wird ein Verfahren eingesetzt, das im Fachjargon Echo Cancellation genannt wird. "Der Empfänger sieht den gesamten Datenverkehr in der Leitung, muss aber entscheiden lernen, was gesendete und was zu empfangende Signale sind", veranschaulicht Köberle das Funktionsprinzip. "Um die einlangenden Daten extrahieren zu können, müssen also die jeweils gesendeten Daten vom Gesamtsignal erst abgezogen werden." System-on-a-Chip-Lösungen, bei denen der interne Datenverkehr auf diese Art geregelt ist, würden damit nicht nur schneller, sondern auch energieeffizienter arbeiten – in jeder Art von mobilen Gerätschaften ein wichtiges Kriterium. (pum, 3.5.2019)

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