CMOS vinner på radarfrekvenser

Det känns som en ständig repris. CMOS-tekniken flyttar fram positionerna och de tänkta framtidsprocesserna tvingas flytta fram framtiden en generation till. Den här gången är det Texas Instruments som visar att CMOS duger utmärkt bra för radarkomponenter i frekvensområden upp till dryga 80 GHz. CMOS blir dessutom billigare och strömsnålare.

Det här har hänt massor av gånger sedan CMOS-tekniken slog igenom på allvar på åttiotalet. Innan dess hade PMOS och NMOS fallit i konkurrensen, men industrin ställde stora förhoppningar till BiCMOS och I2L för att hantera högre frekvenser och många såg GaAS och SiGe som framtidsprocesser, också för storskalig integration. För att inte tala om kiselkarbid.

Bipolärt blev för varmt
Mikroprocessorer i I2L (Integrated injection logic) blev aldrig någon succé. Det var framför allt Texas Instruments som höll på med sådant (9900-processorn fanns i I2L-variant), men det fanns planer från fler tillverkare. Jag vill minnas att Intergraph höll på med en I2L-version av sin Clipper-processor, men jag kan ha fel.

Då var det betydligt intressantare att kombinera CMOS och bipolär teknologi. Det här höll väldigt många på med, bland andra Intel och Sun. De första generationerna av Intels Pentium-processor tillverkades i BiCMOS (från 0,8 µm till 0,35 µm) och även Suns SuperSPARC använde BiCMOS.

Med BiCMOS klarade Intel att öka klockfrekvensen upp till 200 MHz, även om effektförbrukningen steg på ett ganska dramatiskt sätt. Inom Intel trodde många att det skulle bli omöjligt att öka klockfrekvensen särskilt mycket mer. En enkel extrapolering visade att effektförbrukningen ökade exponentiellt och att det skulle bli omöjligt att kyla komponenterna.

Haifa visade vägen
Men Intels processortekniker i Israel visade att man både kunde effektivisera arkitekturen och plocka bort de bipolära transistorerna. Intel kastade ut konstruktionerna från Santa Clara och plockade in de som gjorts i Haifa. Efter det försvann mycket av intresset för BiCMOS, både hos Intel och hos andra tillverkare.

Kiselsmedjor och IP
Intresset för egna specialprocesser minskade ytterligare när utvecklingen gick mot stora kiselsmedjor. Framåt slutet av nittiotalet var det egentligen bara Intel som fortsatte att utveckla nya volymprocesser med små geometrier. Kiselsmedjor som TSMC, UMC och Globalfoundries hade tagit över processutvecklingen.

Det här ökade förstås intresset för att plocka mesta möjliga ur standardprocesser och forskare, konstruktörer och EDA-tillverkare letade nya sätt att maximera prestanda och minimera energiförbrukningen hos vanlig CMOS. Det lyckades alldeles utmärkt, inte minst för att CMOS faktiskt är en utomordentligt bra teknologi.

Från slutet av nittiotalet och fram tills nu har vi därför sett allt fler ”omöjliga” tillämpningar i vanlig CMOS. Det gäller allt från komplexa analoga funktioner till drivsteg och radiomoduler. Det har inte varit någon ände på nytänkandet. Och naturligtvis – allt som går att tillverka i CMOS går att tillverka billigt.

GaAS och SiGe för radar?
Att vanlig standard-CMOS skulle kunna utmana GaAS och SiGe i radartillämpningar verkade däremot ganska osannolikt. Där hade teknologier som GaAs och SiGe en av sina stora potentiella volymmarknader.

Men för några år sedan började vi se forskningsprojekt med CMOS i mycket höga frekvenser. Nyheterna har bland annat duggat tätt från forskningsinstitutet imec. Och nu lanserar alltså Texas Instruments en rad komponenter med inbyggda tranceivers för frekvensområdet 76-81 GHz. Där väntas gigantiska behov från framför allt fordonsmarknaden och industrin.

Texas Instruments använder en egen 45 nm-process, men det är vanlig standard-CMOS och volymproduktionen sker hos en av kiselsmedjorna. Tillverkningen blir alltså billig, samtidigt som man har lyckats att minska energiförbrukningen jämfört med andra processer. Och viktigast av allt – det är lätt att integrera allt, från RF-del till signalprocessorer och styrprocessorer, på samma chip. Det är viktigt av flera anledningar. Bland annat slipper man kompensera för olika temperaturer.

CMOS kan
Det finns helt klart områden som kraftelektronik där teknologier som SiGe och kiselkarbid är överlägsna. Men CMOS är svåröverträffad när det gäller komponenter med hög integration och det verkar alltid finnas nya sätt att använda CMOS för att lösa svåra problem.

Så CMOS verkar fortfarande vara den stora vinnaren.

2 Responses to “CMOS vinner på radarfrekvenser”

  1. Alltså, historik, aktualiteter och framtidsutsikter. Initierat och vederhäftigt. Härligt att läsa.

    Men, slog inte CMOS igenom tidigare än så? Min första RCA CMOS databok tror jag är från ca 1975. Men, det är klart att något riktigt genombrott blev det nog inte. Kretsarna saknade ESD-skydd och en del vågade knappt ta i dem.

  2. Hej Gunnar

    Visst slog CMOS igenom ganska tidigt, även om det mest bara var Harris (6100) och RCA (1802) som gjorde tidiga processorer. Jag skrev till och med i en krönika för ett par veckor sedan att C. T. Sah and Frank Wanlass från Fairchild beskrev CMOS-tekniken redan 1963. Och då får jag väl tro på det.

    Fast jag hittade förstås informationen på Internet den gången också.

    /göte