Wie entsteht ein digitaler Chip am BI?
Wozu brauchen wir Mikrochips?
Mikrochips sind das Herzstück digitaler Technik. Als zentrale Steuereinheiten sorgen sie dafür, dass Informationen sicher, schnell und korrekt verarbeitet werden. Sie sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Ob digitaler Geldtransfer, Kommunikation, Verkehr, Medizin oder Industrie, nahezu jede digitale Technologie wird von Mikrochips gesteuert.
Damit all diese Anwendungen zuverlässig und sicher funktionieren, müssen Chips vertrauenswürdig sein. Am Barkhausen Institut forschen wir gezielt daran, diese Vertrauenswürdigkeit durch innovative Technologien und Prüfverfahren sicherzustellen. Hierfür entwickeln wir digitale Mikrochips, die als experimentelle Plattformen in der Forschung und Entwicklung eingesetzt werden. Sie werden deshalb Forschungschips genannt. Mit ihrer Hilfe prüfen wir unter anderem Sicherheitskonzepte und entwickeln diese weiter.
Von der Idee zum fertigen Chip
Die Funktionseinheiten
Das Chipdesign, also die Planung und Gestaltung des Aufbaus eines Mikrochips, ist ein aufwändiger Prozess. Er beginnt lange vor der Produktion – nämlich am Schreibtisch mit einem präzisen Plan.
Zu Beginn legen die Forschenden die Anforderungen an den Chip fest. Diese unterscheiden sich je nach geplanter Anwendung: Soll der Chip in einem medizinischen Gerät wie einem Herzschrittmacher eingesetzt werden oder in der Automobilindustrie, etwa für einen Abstandsradar? Fragen wie diese müssen vorab geklärt werden.
Für die Umsetzung dieser Anforderungen stehen im Chipdesign sogenannte Funktionseinheiten zur Verfügung. Das sind abgegrenzte Bereiche, die jeweils eine klar definierte Aufgabe übernehmen, zum Beispiel die Verschlüsselung von Daten.
Vertiefung: Die Funktionseinheiten im Detail
Damit Mikrochips diese speziellen Anforderungen erfüllen können, stehen ihnen folgende grundlegende Funktionseinheiten zur Verfügung:
- Beschleuniger: Spezialisierte Einheiten, die meist nur eine bestimmte Aufgabe ausführen können, diese dafür aber besonders schnell. (Im Bild grün dargestellt.)
- Prozessoren: Recheneinheiten, die viele unterschiedliche Aufgaben übernehmen können, dafür jedoch mehr Zeit als ein spezialisierter Beschleuniger benötigen. (Im Bild blau dargestellt.)
- Kommunikationseinheiten oder Speicher: Sie speichern die Daten und leiten sie bei Bedarf an Prozessoren oder Beschleuniger innerhalb des Chips oder an andere Chips weiter. (Im Bild rot und orange dargestellt.)
Jede Funktionseinheit, auch Modul genannt, benötigt Platz, verbraucht Strom und verursacht Kosten. Die Forschenden legen daher anhand der Anforderungen an den Chip fest, wie viele Module welcher Art benötigt werden, um die gewünschte Funktionalität sicherzustellen. Dabei müssen sie stark priorisieren, um die größtmögliche Leistung auf kleinstem Raum realisieren zu können.
Vertrauenswürdigkeit von Anfang an
Schon in diesem frühen Entwurfsstadium muss die Vertrauenswürdigkeit der Chips mitgedacht werden. Dies betrifft sowohl die Hardware als auch das Betriebssystem des Chips.
Das BI nutzt für seine Chips ein eigens entwickeltes Betriebssystem (s. M³-Betriebssystem). Dieses isoliert die modular aufgebauten Funktionseinheiten.
Isolation bedeutet: Der Datenaustausch zwischen den einzelnen Funktionseinheiten wird streng reguliert. Nur die Module, die für eine bestimmte Aufgabe notwendig sind, dürfen miteinander kommunizieren. Alle anderen bleiben voneinander getrennt. So wird sichergestellt, dass zum Beispiel eine durch einen Angriff kompromittierte Funktionseinheit die Sicherheit und Funktionsfähigkeit der übrigen nicht beeinflusst.
Vertiefung: Wie wird die Isolation technisch umgesetzt?
Dafür kommt eine spezielle Hardwarekomponente zum Einsatz, die sogenannte TCU (Trusted Communication Unit).
Dieses kleine Bauteil überwacht als „Türsteher“ die Kommunikationskanäle der einzelnen Module.
Deshalb hat jede Funktionseinheit ihre eigene TCU, die bereits beim Chipdesign mit eingeplant werden muss.
Aufbau der Funktionseinheiten
Die verschiedenen Funktionseinheiten bestehen aus Blöcken, die wiederum aus kleineren, ineinander verschachtelten Bausteinen aufgebaut sind. Diese Bausteine enthalten sogenannte Register – kleine Speicherplätze für Daten.
Man kann sich eine Funktionseinheit wie ein großes Haus vorstellen: Die Blöcke sind die Wohnungen. Jede Wohnung besteht aus mehreren Zimmern – den Bausteinen – und in jedem Zimmer stehen Schränke, die als Lagerplätze für die Daten dienen, also die Register.
Vertiefung: Arbeitsweise der Funktionseinheiten
Funktionseinheiten arbeiten mit zwei zentralen Elementen: Registern, die Daten speichern, und Logikzellen, die diese Daten verarbeiten. Während Logikzellen Berechnungen durchführen, halten Register die Zwischenergebnisse bereit, damit sie für weitere Verarbeitungsschritte genutzt werden können.
Register speichern Informationen in Form von Bits, also Nullen und Einsen. Meist bestehen sie aus mehreren Bits, sodass ganze Zahlen oder Werte gleichzeitig abgelegt werden können.
Zwischen den Registern befinden sich Logikzellen. Sie verarbeiten diese Werte und führen Berechnungen durch. Anders als bei einem Computerprogramm, das Schritt für Schritt ausgeführt wird, können die Logikzellen viele Arbeitsschritte gleichzeitig erledigen. Durch diese parallele Verarbeitung kann der Chip sehr schnell rechnen und komplexe Aufgaben effizient bewältigen.
Die Anforderungen der jeweiligen Anwendung bestimmen, wie schnell ein Chip arbeiten muss. Je mehr Rechenleistung gefordert ist, desto weniger Zeit bleibt für einzelne Rechenschritte. Daraus ergibt sich der nötige Takt, also die Zeit, die Berechnungen in den Logikzellen und der Datentransfer von einem Register zum nächsten höchstens dauern darf. Wenn zu viele Rechenschritte zwischen zwei Registern liegen, dauert der Vorgang zu lange. Der Chip gerät aus dem Takt und kann nicht korrekt arbeiten.
Stadtplanung auf Chipebene
Sobald der Aufbau der Funktionseinheiten festgelegt ist, werden diese und ihre Verbindungselemente auf dem Chip räumlich angeordnet. Ein Computerprogramm erstellt die erste Anordnung, die anschließend von einem Menschen sorgfältig überprüft und angepasst wird.
Dabei müssen bestimmte Vorgaben eingehalten werden, zum Beispiel:
- Die Kommunikationskanäle zwischen den Funktionseinheiten dürfen nicht zu lang sein, da sonst das Signal zu schwach werden könnte.
- Die Kommunikationskanäle dürfen sich nicht kreuzen, sondern müssen auf unterschiedlichen Ebenen des Chips verlaufen.
Dieser Prozess ähnelt einer Stadtplanung: Alle Gebäude müssen durch Straßen angebunden werden und zusammengehörige Infrastrukturen sollten möglichst nahe beieinanderliegen. Straßen können dabei manchmal durch Tunnel oder über Brücken geführt werden, damit der Verkehr reibungslos fließt. Am Ende entsteht ein komplexes, dreidimensionales Bild, das den gesamten Aufbau des Chips visuell darstellt.
Von der Planung zur Produktion
Sobald das BI die Planung abgeschlossen hat, wird der endgültige Chip-Entwurf von einer spezialisierten Firma für die Fertigung aufbereitet.
Diese Firmen ermöglichen Forschungseinrichtungen den Zugang zu den für die Chip-Entwicklung erforderlichen Design-Tools sowie den Datenbanken des Herstellers.
Ohne diesen Zugang wäre ein „Tape-out“ nicht möglich. Unter einem „Tape-out“ versteht man die Übergabe der finalen Design-Daten an den Hersteller, damit der Chip produziert werden kann.
Vertiefung: Herstellung des Chips
Im nächsten Schritt erhält ein Hersteller die aufbereiteten Daten und Informationen. Die Chips werden auf sogenannten Wafern produziert. Das sind dünne, runde Scheiben aus Silizium, auf denen viele Computerchips gleichzeitig hergestellt werden.
Die Struktur des Mikrochips entsteht in vielen einzelnen Prozessschritten: Auf dem Wafer werden Materialien schichtweise aufgetragen und anschließend an ausgewählten Stellen wieder entfernt, bis die feinen Schaltungen entsprechend dem Chip-Design sichtbar werden.
Die Produktion muss unter besonders sauberen Bedingungen stattfinden, da schon ein einzelnes Staubkorn die Struktur und damit die Funktion eines Chips stören würde.
Anschließend erfolgt das sogenannte Packaging, also das Verpacken der empfindlichen Chips in ein Gehäuse. Dabei werden auch die winzig kleinen elektrischen Kontaktstellen des Chips mit größeren Kontaktstellen am Gehäuse verbunden, sodass sie leichter zugänglich sind. Danach werden die Chips an das BI gesendet.
Der fertige Chip wird geprüft
Das BI erhält den gebrauchsfertigen Chip vom Hersteller und kann nun prüfen, ob er bereit für den praktischen Einsatz ist. Dafür entwirft das BI gemeinsam mit einer Partnerfirma eine Leiterplatte, auf der die geplanten Hardwarekomponenten – zum Beispiel Sensoren oder Module für medizinische oder automobile Anwendungen –integriert werden können.
Der fertige Chip wird anschließend auf die Leiterplatte montiert und gemeinsam mit dem M³-Betriebssystem im Labor unter realen Bedingungen getestet. Die Testergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse, die direkt in die Entwicklung neuer Chips einfließen. So werden die Chips von Generation zu Generation leistungsfähiger und effizienter.
Forschungschip zu verleihen
Das BI fördert wissenschaftliche Kooperationen und stellt auch im Chipdesign seine Expertise anderen Forschungseinrichtungen zur Verfügung. Dazu bietet es externen Partnern an, eigene Chip-Designs auf den Forschungschips zu testen.
Die Kooperationspartner können klar voneinander getrennte und streng isolierte Bereiche auf dem Chip nutzen, um ihre eigenen Entwicklungen unter realen Bedingungen zu testen. So bleiben ihre unveröffentlichten Forschungsergebnisse vor fremden Blicken geschützt.
Dieses Vorgehen folgt dem Prinzip „trustworthiness by design“: Vertrauenswürdigkeit wird bereits bei der Entwicklung und Nutzung der Chip-Technologie mitgedacht.
Eine solche spezialisierte Forschungsinfrastruktur erlaubt insbesondere auch kleineren Einrichtungen, ihre Chip-Designs praxisnah zu erproben und schneller in die Anwendung zu bringen. Gleichzeitig fördert sie die Vielfalt in der Chipentwicklung und stärkt die europäische Souveränität in der Chipherstellung.