Mikrochip passt sich an schwere Schäden an

Caltech-Forscher haben eine komplexe integrierte Schaltung demonstriert, die erhebliche Schäden übersteht, indem sie die Art und Weise, wie sie Informationen verarbeitet, neu konfiguriert.

selbstheilender Chip

Sprengen Sie aus: Ein Rasterelektronenmikroskop-Bild zeigt Schäden an einer Schaltung durch einen Laser.

Der Chip repariert keine Fehler physisch; es verwendet einen zweiten Prozessor, um trotz des Schadens neue Wege zu finden, um eine Aufgabe auszuführen. Der Chip kann auch so programmiert werden, dass er Energieeinsparungen oder Geschwindigkeit priorisiert. Ali Hajimiri , der Caltech-Professor für Elektrotechnik, der die Arbeit leitete, sagt, dass Chips, die ihre eigene Leistung im laufenden Betrieb einstellen, unter normalen Umständen auch besser funktionieren könnten.

Selbstheilende Schaltkreise können Fertigungsfehlern widerstehen und Schäden durch hohe Temperaturen oder alterungsbedingte Verschlechterungen standhalten. Das könnte robustere militärische Kommunikationsausrüstungen und tragbare Unterhaltungselektronik bedeuten, die einiges aushalten können.

Hajimiris Gruppe ist die erste, die diese Fähigkeit in einer komplexen integrierten Schaltung demonstriert – in diesem Fall einem Leistungsverstärker, einer Art Schaltung, die die Signalübertragung in Mobiltelefonen und anderen Telekommunikationsgeräten verarbeitet. Der selbstheilende Chip besteht aus 100.000 Transistoren, mehreren Arten von Sensoren und einem zusätzlichen eingebetteten Prozessor, der die Leistung der Schaltung überwacht und Algorithmen ausführt, um zu beurteilen, wie sie verbessert werden kann.

In Arbeit, die diesen Monat in der Zeitschrift veröffentlicht wurde IEEE-Transaktionen zu Mikrowellentheorie und -techniken , zeigte die Caltech-Gruppe, dass mit dem Selbstheilungssystem ausgestattete Schaltungen auch dann noch funktionieren, wenn die Schaltung wiederholt mit einem Laser bestrahlt wurde, um etwa die Hälfte der Transistoren auszuschalten. Es dauert nur zehn Millisekunden, um sich an den Schaden anzupassen. Eine Schaltung, die diesem Angriff nicht ausgesetzt war, konnte 50 Prozent weniger Strom verbrauchen als eine normale Schaltung, indem sie sich selbst für maximale Effizienz neu konfigurierte.

Der Sekundärprozessor, der diese Ergebnisse ermöglicht, überwacht die Schaltung, indem er ein Programm ausführt, das Sensordaten zu Temperatur, Spannung, Strom, Leistung und mehr analysiert. Er kann so programmiert werden, dass er diese Parameter für ein bestimmtes Ergebnis optimiert – beispielsweise um die Reinheit oder Leistung des vom Verstärker erzeugten Signals zu maximieren. Das Programm findet dann heraus, wie die Schaltung geändert werden kann, um dieses Ziel am besten zu erreichen. Es ist möglich, die an bestimmte Transistoren in der Schaltung angelegte Spannung zu ändern oder die Art und Weise zu ändern, in der Signale durch sie geleitet werden, um einen beschädigten Bereich zu vermeiden. Hajimiri sagt, dass die Schaltung etwa 250.000 mögliche Zustände hat.

Hajimiri sagt, dass es möglich sein sollte, dieses Konzept auf jede Art von Schaltung anzuwenden, unabhängig von der Funktion. In der Leistungsverstärker-Demonstration nimmt das selbstheilende System keine zusätzliche Fläche ein, da der sekundäre Prozessor darunter positioniert ist.

Das Konzept könnte Chipdesigner davon befreien, sicherzustellen, dass Schaltkreise seltenen Ereignissen wie extremen Temperaturen, Spannungsschwankungen oder Interferenzen standhalten. Die Möglichkeit dazu geht normalerweise auf Kosten der Leistung.

Sie können einen Chip entwerfen, der in diesen Worst-Case-Szenarien läuft, aber meistens ist es nicht der Worst-Case, und Sie könnten die meiste Zeit schneller oder mit weniger Leistung laufen, sagt Subhasish Mitra , einem Professor für Informatik an der Stanford University, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Da Siliziumtransistoren immer aggressiver miniaturisiert werden, werden die Hersteller laut Mitra Schaltungsdesigner brauchen, um mehr Zuverlässigkeit zu bieten.

Bis vor kurzem hat die Wirtschaft von dieser Art von Design abgeraten, sagt Thomas H. Lee , der das Stanford Microwave Integrated Circuits Laboratory leitet. Aber es wird immer schwieriger, Chips gut herzustellen, und ich denke, eingebettete Reparatursysteme werden sich durchsetzen.

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