Wissenschaftler stellen FD-SOI-Chips mit extrem geringem Stromverbrauch vor, die die Effizienz von KI-Geräten steigern

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Professor Massimo Alioto, Direktor des FD-fAbrICS-Gemeinschaftslabors, sprach am 3. Mai bei einem Branchenschaufenster mit Teilnehmern aus der Industrie und der Forschungsgemeinschaft, um die neuesten Entwicklungen bei FD-SOI-Technologien vorzustellen. (Bild:FD-fAbrICS-Gemeinschaftslabor)

Forscher von NUS haben zusammen mit den Industriepartnern Soitec und NXP Semiconductors eine neue Klasse von Siliziumsystemen demonstriert, die verspricht, die Energieeffizienz von mit KI verbundenen Geräten sprunghaft zu steigern. Diese technologischen Durchbrüche werden die Fähigkeiten der Halbleiterindustrie in Singapur und darüber hinaus erheblich verbessern.

Diese Innovation wurde in der FD-SOI-Technologie (Fully Depleted Silicon-on-Insulator) demonstriert und kann auf die Entwicklung und Herstellung fortschrittlicher Halbleiterkomponenten für KI-Anwendungen angewendet werden. Die neue Chip-Technologie hat das Potenzial, die Batterielebensdauer von Wearables und intelligenten Objekten um den Faktor 10 zu verlängern, hohe Rechenlasten für den Einsatz in Internet-of-Things-Anwendungen zu unterstützen und den Stromverbrauch im Zusammenhang mit der drahtlosen Kommunikation mit der Cloud zu halbieren.

Die neue Suite bahnbrechender Chiptechnologien wird durch das FD-SOI &IoT Industry Consortium gefördert, um die Branchenakzeptanz zu beschleunigen, indem die Designbarriere für den Markteintritt in FD-SOI-Chips gesenkt wird. Am 3. Mai 2024 fand ein Branchenworkshop mit dem Titel „Energieeffiziente FD-SOI-Systeme der nächsten Generation“ für Teilnehmer aus Industrie und Forschung statt, um die neuesten Entwicklungen bei FD-SOI-Technologien auszutauschen und zu diskutieren und die neuen Fähigkeiten anhand modernster Demonstrationen vorzustellen.

„IoT-Geräte arbeiten oft mit einem sehr begrenzten Leistungsbudget und benötigen daher eine extrem niedrige Durchschnittsleistung, um regelmäßige Aufgaben wie die physische Signalüberwachung effizient auszuführen. Gleichzeitig ist eine hohe Spitzenleistung erforderlich, um gelegentliche Signalereignisse mit rechenintensiven KI-Algorithmen zu verarbeiten. Unsere Forschung ermöglicht es uns auf einzigartige Weise, gleichzeitig die Durchschnittsleistung zu reduzieren und die Spitzenleistung zu verbessern“, sagte Professor Massimo Alioto von der Abteilung für Elektrotechnik und Computertechnik des NUS College of Design and Engineering und Direktor des FD-fAbrICS (FD-SOI Always-on Intelligent &Connected Systems) gemeinsames Labor, in dem die neue Technologiesuite entwickelt wurde.

„Die Anwendungen sind breitgefächert und umfassen intelligente Städte, intelligente Gebäude, Industrie 4.0, Wearables und intelligente Logistik. Die bemerkenswerten Energieverbesserungen, die im Rahmen des FD-fAbrICS-Programms erzielt wurden, sind ein Wendepunkt im Bereich batteriebetriebener KI-Geräte, da sie es uns letztendlich ermöglichen, Intelligenz von der herkömmlichen Cloud auf intelligente miniaturisierte Geräte zu verlagern“, sagte Prof. Alioto, der auch die Green IC-Gruppe (www.green-ic.org) am Fachbereich Elektrotechnik und Computertechnik leitet.

Untersuchungen des NUS FD-fAbrICS-Gemeinschaftslabors haben gezeigt, dass die FD-SOI-Chiptechnologie in großem Maßstab mit verbesserter Design- und Systemintegrationsproduktivität eingesetzt werden kann, was zu geringeren Kosten, einer schnelleren Marktreichweite und einer schnellen Branchenakzeptanz führt.

„Diese Innovation hat das Potenzial, die Markteinführungszeit für wichtige Akteure im Halbleiter-Ökosystem Singapurs zu verkürzen“, sagte Prof. Alioto. „Wir hoffen, durch das FD-SOI &IoT Industry Consortium die Einführung und den Einsatz unserer Designtechnologien in großem Maßstab zu erleichtern. Dies ist ein bedeutender Beitrag zur KI- und Halbleiterindustrie in Singapur, da es einen Wettbewerbsvorteil ermöglicht und gleichzeitig die Gesamtentwicklungskosten von FD-SOI-Systemen senkt.“

Die Forschungsdurchbrüche des NUS-FD-fAbrICS-Gemeinschaftslabors nutzen die kombinierte NUS-Expertise und -Fähigkeiten aus verschiedenen Bereichen, wie z. B. digitale Schaltkreise (Prof. Massimo Alioto), drahtlose Kommunikation (Assoc. Prof. Heng Chun Huat), Systemarchitekturen (Ass.-Prof. Trevor Carlson) und KI-Modelle (Prof. Li Haizhou). Branchenführer wie Soitec, NXP und Dolphin Design haben zu den Forschungsbemühungen des gemeinsamen Labors beigetragen, die auch von der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung unterstützt werden.

Das NUS-Forschungsteam untersucht nun die Entwicklung neuer Klassen intelligenter und vernetzter Siliziumsysteme, die größere KI-Modellgrößen (große Modelle) für generative KI-Anwendungen unterstützen könnten. Durch die daraus resultierende Dezentralisierung der KI-Berechnung von der Cloud auf verteilte Geräte wird gleichzeitig die Privatsphäre gewahrt, die Latenz auf ein Minimum reduziert und eine drahtlose Datenflut bei gleichzeitiger Präsenz einer Vielzahl von Geräten vermieden.

Der Branchenworkshop, der sich mit den neuesten Fortschritten und Anwendungen der FD-SOI-Technologie befasste, zielte darauf ab, ein Umfeld des Wissensaustauschs zu fördern und die Zusammenarbeit innerhalb und zwischen der FD-SOI-Forschungsgemeinschaft und der Halbleiterindustrie in Singapur zu katalysieren, die an intelligenten und vernetzten Siliziumsystemen arbeitet.

Ein weiteres Ziel des Workshops bestand darin, die schnelle Einführung von FD-SOI zu erleichtern und die Designeintrittsbarriere zu senken, indem die Forschungsergebnisse aus dem gemeinsamen Labor von FD-fAbrICS geteilt wurden. Referenten von Soitec, GlobalFoundries, NXP und dem NUS FD-fAbrICS-Forschungsteam teilten ihre Ansichten zur aktuellen Entwicklung verwandter Technologien – zum Beispiel in der Fertigung und beim Mikrochip-Design – und zukünftigen bahnbrechenden Technologien für KI-Systeme mit extrem geringem Stromverbrauch der nächsten Generation.

Das FD-SOI &IoT Consortium wurde gegründet, um den Einfluss des NUS FD-fAbrICS-Gemeinschaftslabors auf das Halbleiter-Ökosystem in Singapur zu erweitern. Soitec und NXP sind Gründungsmitglieder des Konsortiums.

Die Mitglieder des Konsortiums werden Zugang zu innovativem FD-SOI-Design-IP und -Methoden haben, die dazu beitragen werden, ihren Prototyping- und Entwicklungszyklus der nächsten Generation mit äußerst energieeffizienten Prozessen zu beschleunigen, insbesondere im schnell wachsenden Bereich der mit KI verbundenen Chips.

Das FD-SOI &IoT-Konsortium wird den kurzfristigen Bedarf der Industrie an einer schnellen Technologie-Roadmap und beschleunigten Innovationszyklen unterstützen. Gleichzeitig werden die in Synergie mit den FD-fAbrICS-Industriepartnern entwickelten Technologien von einigen Mitgliedern des Konsortiums weiter ausgebaut, um langfristig eine nachhaltige Skalierbarkeit und Differenzierung zwischen den Mitgliedern des Konsortiums sicherzustellen.

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