Extrem stromsparende, nachhaltige Spin-Chips

Energieeffizienz ist einer der größten Engpässe der digitalen Transformation. Mit dem rasanten Wachstum von Anwendungen in den Bereichen Künstliche Intelligenz (KI) und Internet of Things (IoT) stoßen bestehende Hardwarearchitekturen zunehmend an ihre Grenzen hinsichtlich Energieverbrauch und Nachhaltigkeit. Das europäische Projekt SPIN-CHIP verfolgt daher einen neuen Ansatz: Durch den Einsatz spintronischer Technologien sollen hochgradig energieeffiziente und nachhaltige Halbleiterlösungen entwickelt werden.

Das Fraunhofer IPMS schlägt dabei die Brücke zwischen Grundlagenforschung und industrieller Fertigung, indem es zentrale Herausforderungen bei der Integration spintronischer Bauelemente adressiert.

Was ist das SPIN-CHIP-Projekt?

SPIN-CHIP ist ein europäisches Mikroelektronikprojekt zur Entwicklung von Spin-Chips mit extrem niedrigem Energieverbrauch. Im Mittelpunkt steht die Nutzung von Magnetischen Tunnelkontakten (Magnetic Tunnel Junctions, MTJ), um leistungsfähige und gleichzeitig energieeffiziente Hardware für Anwendungen in den Bereichen KI, IoT, Raumfahrt und Medizintechnik zu ermöglichen. Damit leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur technologischen Souveränität Europas im Bereich der Mikroelektronik.

Beitrag des Fraunhofer IPMS

Innerhalb des SPIN-CHIP-Konsortiums übernimmt das Fraunhofer IPMS eine Schlüsselrolle bei der Integration spintronischer Technologien in bestehende Halbleiterprozesse. Der Fokus liegt auf der monolithischen Integration spintronischer Bauelemente auf etablierten CMOS-Plattformen sowie auf der Schaffung wichtiger Schnittstellen zu zukünftigen Pilotlinien der europäischen Chips Joint Undertaking (Chips JU). Dadurch wird der Transfer innovativer Spintronik-Technologien von der Forschung in die industrielle Fertigung beschleunigt und ihre spätere Skalierung ermöglicht.

Die Kerninnovation von SPIN-CHIP basiert auf einer einzigen spintronischen Komponente, dem Magnetischen Tunnelkontakt (Magnetic Tunnel Junction, MTJ), die für vier unterschiedliche Anwendungsbereiche optimiert wird:

• Speicher-MTJs (MRAM für die Raumfahrt)
  Optimierung nichtflüchtiger magnetoresistiver RAMs (MRAM) hinsichtlich hoher Speicherdichte und Strahlungsresistenz, um unabhängige europäische Speicherbausteine für anspruchsvolle Raumfahrtumgebungen bereitzustellen.
• Stochastische MTJs (KI und Sicherheit)
  Nutzung kontrollierbarer Zufallssignale zur nativen Realisierung hardwarebasierter KI-Beschleuniger, Universal Random Bit Sampler (URBS) und Physical Unclonable Functions (PUF) für Sicherheit auf Hardwareebene.
• Sensor-MTJs (Hochempfindliche Medizintechnik)
  Entwicklung von Magnetfeldsensoren mit Pikotesla-Empfindlichkeit (pT) bei Raumtemperatur, wodurch der Bedarf an kostenintensiver kryogener Kühlung für fortschrittliche Anwendungen der Herzüberwachung entfällt.
• HF-MTJs (Energieautonome Kommunikation)
  Nutzung stationärer Magnetisierungsoszillationen zur direkten Signalverarbeitung, HF-Energiegewinnung (RF Energy Harvesting) und für Wake-up-Empfänger mit geringem Energieverbrauch.

Das Konsortium verfolgt konkrete, messbare Fortschritte, um Spintronik als industriellen Standard zu validieren:

• Monolithische CMOS-Integration: Erfolgreiche Fertigung hybrider MTJ/CMOS-Chips in den Technologieknoten 22 nm und 180 nm.
• Multifunktionale Module: Kombination von Sensor-, Speicher- und Rechenblöcken in einzelnen, vielseitigen spintronischen Komponenten.
• 86 % RF-Leistungsreduktion: Senkung des Energieverbrauchs kritischer HF-Kommunikationsgeräte von 7 W auf 1 W, wodurch sperrige Geräte zu Handheld-Systemen werden.
• Weltraumtaugliche Effizienz: Erreichen einer zweifachen Reduktion des Energieverbrauchs für MRAM-Pufferspeicher in Raumfahrtanwendungen.
• Ultraniedriger Standby-Verbrauch: Reduktion des Standby-Leistungsverbrauchs auf unter 100 mW durch intelligente Wake-up-Empfänger.

Koordiniert von Thales TRT (Frankreich) verbindet das SPIN-CHIP-Projekt führende europäische Forschungs- und Technologieorganisationen (RTOs), Universitäten und Halbleiterindustrieunternehmen, um eine autonome europäische Wertschöpfungskette zu sichern.

Das Fraunhofer IPMS arbeitet eng mit deutschen und internationalen Partnern zusammen – darunter Infineon Technologies AG, Singulus Technologies AG und 3D-Micromac AG – um Aufgaben der monolithischen Integration voranzutreiben und Entwicklungen direkt mit zukünftigen CHIPS-JU-Pilotlinien zu verknüpfen.

Warum ist Spintronik wichtig für die Zukunft der europäischen Mikroelektronik?

Spintronik nutzt neben der elektrischen Ladung auch den intrinsischen Spin der Elektronen. Dadurch können Bauelemente wie MTJs Daten ohne kontinuierliche Energiezufuhr speichern, was den Energieverbrauch drastisch reduziert, die Flächenausnutzung minimiert und die Verarbeitungsgeschwindigkeit in zukünftigen Edge-Geräten erhöht.

Was ist der Unterschied zwischen monolithischer und heterogener Integration im Chipdesign?

Monolithische Integration bedeutet, dass spintronische Komponenten direkt auf einer gemeinsamen Silizium-CMOS-Plattform aufgebaut werden, was Leistung und Platzbedarf optimiert. Heterogene Integration kombiniert dagegen separate Funktionsblöcke (Chiplets) auf einem gemeinsamen Substrat. SPIN-CHIP nutzt beide Ansätze, um die Kompatibilität mit modernen Chiplet-Standards zu maximieren.

• Frankreich:
  CEA, CNRS, IC’ALPS, NanoXplore, Thales Alenia Space
• Belgien:
  IMEC, MAGICS, Université Catholique de Louvain, Vertical Compute SRL
• Deutschland:
  Fraunhofer IPMS, Infineon Technologies AG, Singulus Technologies AG, 3D-Micromac AG
• Italien:
  MARIS scrl, Politecnico di Bari, Università della Calabria, Università degli Studi di Messina
• Niederlande:
  OPT-NET, Radboud University
• Portugal:
  Cardioid Technologies LDA, Beyond Vision, INESC Microsistemas e Nanotecnologias, International Iberian Nanotechnology Laboratory
• Schweden:
  NanOsc AB, Project Management in Research Rosqvist & Widforss AB, Göteborgs Universitet
• Zypern:
  SignalGenerix Limited