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Neues Christian-Doppler-Labor Neuartige Rechnermethoden für moderne Hochleistungschips

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die TU Wien hat am 5. Oktober ein Christian-Doppler-Labor für Hochleistungsberechnungen in der Mikroelektronik eröffnet. Hier sollen mithilfe neuer Rechenmethoden die Computer-Chips von morgen entwickelt werden. Warum hierfür parallele Rechnerprozesse im Vordergrund stehen, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Ein moderner Halbleiter-Wafer
Ein moderner Halbleiter-Wafer
(Bild: TU Wien)

Wien/Österreich – Man braucht gute Computer, um noch bessere Computer herstellen zu können. Beim Entwickeln mikroelektronischer Bauteile verlässt man sich nicht auf Versuch und Irrtum, sondern berechnet ihre Eigenschaften am Computer, lange bevor sie tatsächlich entstehen. Am Institut für Mikroelektronik hat man sich auf solche Computersimulationen spezialisiert. Mit Unterstützung des Bundesministeriums für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) und des Industriepartners Silvaco aus dem Silicon Valley in den USA konnte nun ein Christian Doppler Labor (CD-Labor) für Hochleistungs-TCAD (Technology Computer-Aided Design) eingerichtet werden.

Offiziell eröffnet wurde es am 5. Oktober. Dort wird man nun neue Methoden entwickeln, mit denen sich die nötigen Simulationsrechnungen für die Chip-Industrie schneller als bisher durchführen lassen. „CD-Labors machen neues Wissen marktfähig und für Unternehmen nutzbar. Davon profitieren alle beteiligten Partner, weshalb unser Modell auch international hoch angesehen ist. Damit sichern wir Know-how und Arbeitsplätze am Standort Österreich", sagt Österreichs Wissenschafts-, Forschungs- und Wirtschaftsminister Reinhold Mitterlehner.

Nicht nur richtig, sondern auch schnell

Das Verhalten eines elektronischen Bauteils am Computer zu simulieren ist für sich genommen schon herausfordernd genug – doch noch viel komplizierter wird es, wenn das Ergebnis noch dazu in kurzer Zeit zur Verfügung stehen muss. „Kunden in der Mikroelektronikbranche, die Softwarelösungen kaufen, wollen das Ergebnis in ein paar Stunden haben und nicht tagelang warten müssen“, sagt Josef Weinbub, der Leiter des neuen CD-Labors.

Jahrzehntelang ließen sich Fortschritte in der Rechenzeit recht einfach erzielen, weil die Hardware immer leistungsfähiger wurde. „Heute lässt sich die Taktfrequenz der Computer aber kaum noch steigern, stattdessen verwendet man immer mehr Prozessoren, die parallel rechnen können“, erklärt Weinbub. Das bedeutet allerdings, dass auch die Programmcodes angepasst werden müssen. Wenn man Computerprogramme so optimiert, dass sie effizient mit einer größeren Anzahl von Prozessoren gleichzeitig arbeiten, lässt sich in vielen Fällen die Rechenzeit deutlich verringern.

Für solche Projekte muss man allerdings viel Wissen über unterschiedliche Fachbereiche mitbringen: Man muss die Elektrotechnik der Bauteile verstehen, die simuliert werden soll, man braucht ein Verständnis für die verwendeten mathematischen und physikalischen Methoden, und man braucht das nötige Informatik-Wissen über Computerprogrammierung für hochparalleles Rechnen. „Es gibt nicht viele Forschungsgruppen auf der Welt, die genau an der Schnittstelle zwischen diesen Bereichen arbeiten, so wie wir“, sagt Josef Weinbub. Daher hat sich die US-amerikanische Softwarefirma Silvaco an die TU Wien gewandt, um in Kooperation mit einem neuen Christian Doppler Labor besonders herausfordernde Forschungsfragen gemeinsam mit dem Institut für Mikroelektronik beantworten zu können.

Auch Methoden wie die Siliziumkarbid-Oxidation sollen optimiert werden

Im Fokus der Forschung wird dabei weniger die Simulation der Bauteile selbst stehen, man wird sich auf die Simulation der Herstellungsprozesse spezialisieren. Wenn man Mikroelektronik erzeugt, kombiniert man recht komplizierte Techniken – man lässt beispielsweise gezielt Siliziumdioxid-Kristalle wachsen oder entfernt Material durch Plasmaätzen. Auch diese Prozesse werden zunächst auf Mikroebene am Computer simuliert, und genau das soll in Zukunft besser und schneller gehen. Der High-Performance-Aspekt des Projektes, die Beschleunigung der Computerprogramme durch das Verwenden paralleler Prozessoren, steht im Vordergrund, doch auch die dafür verwendeten Modelle selbst werden weiterentwickelt. „Manche Aspekte, etwa die Siliziumkarbid-Oxidation, hat man bis heute noch nicht besonders gut verstanden, da werden wir sicher noch einige Beiträge leisten“, ist Josef Weinbub zuversichtlich.

BMWFW fördert anwendungsorientierte Grundlagenforschung

Das Christian Doppler Labor für Hochleistungs TCAD (Technology Computer-Aided Design) läuft bereits seit August 2015, nun wurde bei einer Eröffnungsfeier an der TU Wien der offizielle Startschuss gesetzt. In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende Wissenschafter kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel. Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das österreichische Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW).

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