EXPERT: Tar galliumnitrid till volym Kinesiska Innoscience grundades så sent som i december 2015 men är världens största komponenttillverkare helt fokuse- rad på GaN. Målet är att skala upp till 70 000 wafers per månad år 2025, berättar Maurizio Di Paolo Emilio på uppdrag av Innoscience.

De tar galliumnitrid till volymproduktion

Galliumnitrid är på väg in i en ny fas där det behövs volymproduktion och tillförlitliga leveranser till alla nya tillämpningar som är under utveckling. Priset på GaN-komponenter behöver dessutom komma ned ordentligt så att det går att dra nytta av fördelarna utan att betala ett premium.

Kinesiska Innoscience adresserar alla dessa behov genom att vara den största komponenttillverkaren i världen som helt fokuserar på GaN. Företaget, som grundades så sent som i december 2015 med stöd av CMBI, Arm, SK och CATL, har störst kapacitet på åttatumsskivor med GaN-på-kisel. I höstas låg kapaciteten på 10000 wafers per månad, vid årsskiftet var den uppe i 14000 och målet är att nå 70000 wafers per månad år 2025.

EN SNABB REKAPITULATION av historien visar att tekniken började lämnade forskningslabben år 2010 då det komma kommersiella komponenter. Från år 2015 började systemingenjörerna inse att det inte gick att byta rätt av från kisel till GaN, det krävdes helt nya konstruktioner för att byta ut kiselkomponenterna. –Idag är vi på väg in i fas fyra där vi behöver fokusera på att sänka priset, säkra tillgången och köra volymproduktion för att stödja alla nya tillämpningar som är under utveckling, säger Denis Marcon på Innoscience och fortsätter: –Vår första fabrik i Zhuhai är fordonskvalificerad och utrustad för 4000 wafers per månad. Därefter byggde vi en andra fabrik i Suzhou som är E 16 gånger större. Idag är den utrustad för 6000 wafers per månad men kommer att fullt utbyggd klara 65000 wafers per månad. Alla våra fabriker använder maskiner för kiselprocesser för att kunna dra nytta av all utveckling som gjorts för att optimera tillverkningsprocessen.

När det gäller FET-transistorerna i GaN har Innoscience sänkt resistansen när de leder, RDS(on), vilket gör det möjligt att ta fram fysiskt mindre komponenter. Företaget har infört ett ”stresståligt lager” som deponeras efter det att gaten skapats. Genom att göra så går det att öka den tvådimensionella elektrongas-densiteten (2DEG) och därmed sänka resistansen utan att påverka andra parametrar som tröskelspänning och läckström.

Innoscience har också lagt ned omfattande arbete på att optimera yielden både vad gäller epitaxi och processning av komponenterna. RDS(on) är mycket likartat bland de över 10000 komponenter som finns på en wafer. Detsamma gäller för det så kallade off-state-läckaget som har en väldigt platt kurva bortsett från små avvikelser på kanten av wafern.

Båda parametrarna är mycket stabila från wafer till wafer.

När det kommer till tillämpningar är företagets största framgång en USB-laddare som tillverkats i mer än 30 miljoner exemplar. Transistorer i InnoGaN-familjen gör det möjligt att leverera mer effekt i ett mindre format (öka effekttätheten). En GaN-baserad laddare på 45W kan ha en effektivitet på 95,1 procent med en förlust på 2,5W vilket kan jämföras med en kiselbaserad lösning som har cirka 88 procents effektivitet med en förlust på 6,1 W.

InnoGaN-komponenter har tio gånger högre switchfrekvens, fyra gånger högre effekttäthet och 50 procent bättre energieffektivitet än kiselkomponenter.

EN ANNAN INTRESSANT applikation är datacenter. Till att börja med behövs en AC/DComvandlare med en effekt på 3kW för att göra om nätspänningen på 230 VAC till 48 VDC.

Därefter behövs en omvandlare som tar ned spänningen till 12VDC eller 5VDC. Det handlar om en omvandlare på 300 till 600 W. Sedan kommer det sista steget ner till 1 VDC.

För alla tre stegen går det att krympa storleken och öka verkningsgraden på omvandlaren med hjälp av GaN-komponenter. –Med GaN lyckades vi sänka effektförlusterna med 10 procent vid den högsta utströmmen. Det betyder att du har 10 procent lägre kostnad för datacentrets elräkning. För att sätta det i perspektiv så innebär det att du kan spara 100 TWh till 2030 genom att gå över till den här arkitekturen, det motsvarar 20 kärnreaktorer, säger Marcin.

FAKTA

Galliumnitrid (GaN) är ett material med stort bandgap vilket ger bra egenskaper inklusive hög verkningsgrad, höga switchfrekvenser, bra värmetålighet, liten storlek och låg vikt.

För att GaN-komponenter ska bli vardag i krafttillämpningar finns det fortfarande några hinder på vägen – främst brist på höga volymer och högt pris.

Av Maurizio Di Paolo Emilio på uppdrag av Innoscience

Maurizio Di Paolo Emilio har doktorerat i fysik och arbetat i internationella projekt med bland annat gravitationsvågor, röntgenstrålning och rymdteknik. Sedan år 2007 skriver han också artiklar för italienska och engelska bloggar och tidningar. Den här artikeln har han skrivit på uppdrag av Innoscience.

XPERTA EL RTIK

De tar galliumnitrid till volymproduktion

Som redan nämnts är Innoscience halvledarfabriker redan godkända för fordonsindustrin. Företaget arbetar med kunder i detta segment som ska få komponenter i år.

DET HANDLAR OM DC/DC-omvandlare från 650V till 950V, från 48V till 12V men också för fordonsintegrerade laddare och för lidarsystem.

I jämförelse med MOSFET:ar i kisel på 100V är en InnoGaN på 100V 13 gånger snabbare vid tillslag och har en pulsbredd som är 15 gånger smalare. Det gör det möjligt att ha två transistorer på samma chip som oberoende av varandra kan driva var sin laser. Resultatet blir ett billigare, mindre och enklare lidarsystem. n

Figur 2. Tröskelspänningen hos en referenstransistor i GaN (HEMT-A i svart) och en av Innoscience GaNkomponenter med det stresståliga lagret (HEMT-B i blått) är i princip densamma medan resistansen när de leder skiljer sig rejält.

Gunnar Malm

KTH

Linda Robinson

Ynvisible Production

Rebecka Carlsson

Hållbarhetsentreprenör

Mark Grady

Google

Elisabeth Sagström-Bäck

progrSIO Grafen

Scen Elektronikmässan 15e juni

Using Google Meet technology and hardware to improve daily interaction of engineers

Mark Grady, Google & Henrik Wiren, Krouli Solutions AB

Utmaningar i framtidens fabrik

Håkan Sandell , Mycronic

Overview of Ericsson Research and the technology journeys

Peter von Wrycza, Ericsson Research

OT Security Governance 101

Anastasiya Kornitska, Orange Cyberdefense

Wide-Band-Gap Power Semiconductors, a further step to optimize power applications

Peter Richter, Infineon Technologies

Green Energy Storage from the forest – for small and large scale applications

Peter Ringstad, Ligna Energy

Semiconductors for Dummies

Gunnar Malm, KTH

För aktuella tider se www.elektronikmassansthlm.se

Scen Elektronikmässan 16e juni

En crash course i hållbar utveckling

Rebecka Carlsson, Hållbarhetsentreprenör

Kiselkarbid krafthalvedare – Från material till komponenter

Christian Vieider, II-VI Incorporated

Utveckling och pilotproduktion av 8” kiselkarbid substrat

Björn Magnusson, STMicroelectronics Silicon Carbide AB

EUs Chip Act och Sveriges möjligheter

Dr. Thorbjörn ”TOBY” Ebefors, Innovationsprogrammet Smartare elektroniksystem

Tryckt elektronik: från lab till industriell rulle-till-rulle tillverkning

Linda Robinson, Ynvisible Production i Linköping

Utmaningar och möjligheter i elektronikbranschen

Panelsamtal

Graphene for electronic applications

Elisabeth Sagström-Bäck, progrSIO Grafen, Chalmers Industriteknik & Lilei Ye, Business developer Electronics Graphene Flagship, Chalmers Industriteknik

Skanna koden för fri entré till Elektronikmässan

15-16 JUNI | KISTAMÄSSAN | STOCKHOLM

Jenny Vårlid

EFFSO AB

Christer Fuglesang

KTH

Michael Schön

Volvo Cars

Cornelia F. Sundberg

KYOCERA

Marie Ideström

Womengineer

Scen Advanced engineering 15e juni

Resultat från underleverantörsbarometern

Sanna A Wadström, Sinf

How to identify a technology company

Paul Murphy, Koenigsegg Automotive

Pitch event, ESA BIC Sweden

Nathalie Berezina , Norbite Victor Gonzalez, Porkchop Dragos Dancila , Percyroc

First laser scanner certified for outdoor use - Automation in brand new dimension

Mikael Bjurklint, SICK

Inköpstrender från EFFSOs CPO Survey,

Per Finnhammar EFFSO AB & Jenny Vårlid, EFFSO AB

Discover the Future of Simulation-Driven Design

Joakim Örbom, Technical Specialist in the ESG Team, Altair Engineering

Upplev rymden så nära det går

Christer Fuglesang

The Future Of Automotive, Volvo Cars

Michael Schön, Volvo Cars

Scen Advanced engineering 16e juni

Make the impossible possible with ceramics (Product demo)

Cornelia F. Sundberg, KYOCERA Fineceramics Nordics

Ultra flexible automation of the future

Johan Frisk, OpiFlex & Fredrik Ore, Scania CV AB

The Workforce Revolution Pontus Blomberg, PDS Vision

Panelsamtal kring nästa generations ingenjörer

Marie Ideström, Womengineer

Bringing Space Down to Earth – How to build a space-tech startup

ESA BIC Sweden

För aktuella tider se advancedengineeringsthlm.se

Skanna koden för fri entré till Advanced engineering

15-16 JUNI | KISTAMÄSSAN | STOCKHOLM

Tiden före RISC-V före sin tid

DET HAR GÅTT otroligt fort för RISC-V. Inte ens tonåring och redan har i stort sett alla kiseljättar tagit fram en RISC-V-strategi. Men det har inte alltid varit lika lätt att vara öppen processorarkitektur.

Sådana har funnits och använts i över 20 år. Fram till nyligen har – med några undantag, som den svenskutvecklade processorn LEON – chipleverantörerna snarast smugit med sitt användande.

Men plötsligt vände det, och företagen snubblar idag över varandra i iver att berätta om hur dedikerade de är till en öppen processorarkitektur.

Det pratas allt mindre om vilka som kommer att använda RISC-V och allt mer om hur mycket som redan levereras: två miljarder kärnor under 2021, enligt RISC-V International. Siffrorna kommer att dubbleras årligen de närmaste åren, enligt en studie från Deloitte.

HUR BLEV DET SÅHÄR? Jag tror det finns flera anledningar: • Instruktionsuppsättningen RISC-V, femte generationens RISC, är oerhört väl genomtänkt och lärdomar har dragits från 40 år av RISC-arkitekturer. • Kopplingen till Berkeley och professor Dave Pattersson, RISC:ens urfader, är säkert en kraftigt legitimerande faktor. • Den geografiska närheten till kiseldalen gör att RISC-V direkt har kunnat angripa elektronikindustrins pulsåder.

MEN DET HANDLAR OCKSÅ om timing. När RISC-V lanserades på bred front 2015 fanns redan ett antal solskenshistorier från mjukvaruvärlden såsom Linux och LLVM.

Instagram hade skapat en produkt värd en miljard dollar med ett drygt dussin personer genom att bygga produkten på öppen kod och standarder – och fokuserat på kundnyttan istället.

En viktig lärdom som dragits från mjukvaruvärlden är kundnyttan med öppna standarder. Avsaknaden av licenskostnad spelar visserligen roll, men betydligt viktigare är vad en öppen arkitektur möjliggör. Att kunna modifiera instruktionsuppsättningen efter egna behov är ovärderligt när de sista prestandadropparna ska kramas ur chipsens transistorer.

Så med facit i hand hade det kanske inte gått att göra tidigare.

FÖRSTA GÅNGEN jag träffade Dave Pattersson, på en RISC-V Workshop på MIT 2016, nämnde jag min bakgrund inom OpenRISC, som byggde på hans ursprungliga RISCidéer, och frågade lite försiktigt om han kände till vad det var.

Då log han stort och sade. ”Yeah, you guys were just too early”.

Vi hade dålig timing med OpenRISC, men det är å andra sidan inte varje dag man får höra av en levande processorlegend att man var före sin tid.

P.S. I dagens urval av nyheter om öppna kärnor berättar jag med redaktionens välsignelse bland annat om två öppna skapelser jag själv har en stor hand i – SERV och FuseSoC.

Vem blir Pi för RISC-V?

SiFive lanserade redan för fem år sedan sin Arduino-kompatibla HiFive1. Idag finns ett antal kandidater som kanske kan göra anspråk på att vara RISC-V:s motsvarighet till Raspberry Pi.

Det verkar inte bli ett enskilt kort, men tydligt är att Allwinners chip D1 har tagit marknaden med storm. Det finns nu ett antal produkter i handeln som bygger på D1, som baseras på Alibaba T-Heads processor C906.

Nämnvärda exempel är handdatorn DevTerm från Clockwork samt MangoPi MQ Pro. Den förstnämnda är en handdator med utbytbar processormodul. Den senaste modulen bygger på Allwinner D1 och kostar 29 dollar.

MangoPi MQ pro är ytterligare ett steg närmare Raspberry Pi och erbjuder en D1baserad modul för 20 dollar som är drop-inkompatibel med Raspberry Pi Zero W.

Även Dongshan Nezha STU och Sipeed LicheeRV med samma SoC finns att köpa för en mindre summa.

Och för den som undrar var ESP32 för RISC-V finns, så har ESP32:s skapare Espressif nyligen lanserat sin RISC-V-baserade ESP32-C3. Företaget har dessutom meddelat att alla dess produkter från och med nu kommer att använda RISC-V istället för Tensilicas Xtensa-arkitektur.

RISC-V i framtidens fordon

Bilar elektrifieras och börjar kallas för rullande datacenter. I och med detta börjar elektronikindustrin se en kraftigt växande marknad. RISC-V-aktörerna är inga undantag.

Samtliga leverantörer som fanns på plats under RISC-V-veckan i Paris i maj hade fordonsklassade RISC-V-kärnor under utveckling. De hade uttalade ambitioner att ta sig in på fordonsmarknaden. Alla med olika ingångspunkter.

Amerikanska SiFive har inte hunnit göra sig ett namn inom fordonsindustrin än, men utnyttjar det faktum att de har varit på RISC-V-marknaden längst.

Taiwanesiska Andes har valt samarbeten och licensierar sina kärnor till bland andra Japanskaa Renesas. De har också visat upp ett samarbete med en av sina CPU-kärnor tillsammans med en GPU från brittiska Imagination.

Imagination själv har funnits i fordonsindustrin ett tag och pratar gärna om sin GPU – men de är nya inom RISC-V.

Slutligen har tjeckiska Codasip gjort sig ett namn inom RISC-V, speciellt med fokus på att smidigt kunna lägga till applikationsspecifika extrainstruktioner. De är nya inom fordonsindustrin men har nyligen värvat Imaginations tidigare fordonschef vilket kan ge en rivstart.

Inom RISC-V International finns också en arbetsgrupp kring funktionssäkerhet ledd av franska Thales och amerikanska Nvidia, med sikte på att säkerställa så att RISC-V har funktionssäkerhet inbyggt istället för att komma som en eftertanke.

Fri universitetskurs i RISC-V

OLOF KINDGREN RVFPGA är namnet på en gratis universitetskurs i RISC-V-konstruktion, framtagen av brittiska Imagination.

I stort sett varenda företag på konferensen RISC-V Spring Week i början av maj, skrek efter RISC-V-kompetens.

Problemet är att många universitet inte hoppat på RISC-V-tåget ännu utan dröjer kvar vid och lär ut arkitekturer som inte används längre. Eller i värsta fall egenpåhittade alster.

När brittiska IP-företaget Imagination gjorde intåg i RISC-V-världen bestämde det sig för att introducera gratis kursmaterial inom området datorarkitektur, för att öka inflödet av studenter med grundkunskaper om RISC-V.

Kursen heter RVFPGA och avhandlar allt från djupdykningar i mikroarkitektur och assembler, till att bygga ett SoC med FuseSoC. Materialet kan fritt användas av universitet och baseras på en modifierad version av SweRVolf vilket är helt öppen källkod.

Kursen finns hittills översatt till åtta språk och idag har närmare 400 universitet över hela världen börjat titta på materialet.

Till sommaren beger sig RVFPGA-författarna ut på världsturné för att hålla ett antal workshops med syfte att utbilda lärare som vill lära ut RVFPGA till studenter.

Världens minsta mindre

Olof Kindgren presenterade SERV på RISC-V-veckan i Paris i början av maj.

Världens minsta RISC-V-processor, SERV, vinner inga hastighetstävlingar men kostar å andra sidan bara några få tusen grindar. I de fall när det är ont om kiselyta kan detta vara den viktigaste parametern.

Användningsområdet för SERV är typiskt att implementera komplexa tillståndsmaskiner som inte är tidskritiska, eller ersätta gamla åttabitarsprocessorer med en arkitektur som kan användas ihop med moderna verktygskedjor och operativsystem.

Nytt för i år är att SERV har fått stöd för komprimerade instruktioner. Det ökar visserligen processorns storlek, men det ger en lägre totalkostnad när minnet räknas in. För det är inte bara själva processorn som kostar kiselyta i ett chip – minne för instruktioner och data tenderar att dominera när processorns storlek minskar.

RISC-processorns akilleshäl har alltid varit att den generellt behöver fler instruktioner och därmed mer minne. Det finns dock botemedel mot detta, nämligen att göra förkortade varianter av vanliga instruktioner.

Typiskt är dessa instruktioner 16 bitar istället för 32 så att man i bästa fall får plats med dubbelt så många instruktioner i samma mängd minne.

I ARM-världen heter det Thumb-instruktioner. För RISC-V heter instruktionstillägget C för Compressed Instructions – och det är alltså dessa som nu stöds i SERV.

SERV med och utan 1 kbyte minne.

RISC-V får superkrafter

Superdatorer och datacenter visar intresse för att använda RISC-V. Det är möjligheten att skräddarsy hårdvaran som lockar.

Den gängse teorin om RISC-V:s framtid har varit att den kommer att smygas in som ickekritisk hjälpprocessor på djupt inbyggda system, för att först därefter börja arbeta sig uppåt i näringskedjan.

Men det verkar snarare bli en attack på flera fronter.

En stor del av RISC-V-veckan i Paris ägnades åt de senaste framstegen inom HPC (High Performance Computing) där RISC-V verkar ha hittat många vänner.

Det som nämns som den stora fördelen hos RISC-V är möjligheten att i högre utsträckning skräddarsy instruktionsuppsättning och hårdvara för att passa specifika tillämpningar.

För många HPC-applikationer är prestandan för vektorberäkningar central och flera presentationer berörde forskning och nya implementationer av vektoracceleratorer för RISC-V.

Mycket av arbetet utförs av BSC (Barcelona Supercomputing Center) inom EPI-projektet (European Processor Initiative). Även ETH Zürich och kommersiella aktörer som Semidynamics presenterade processorer, acceleratorer och forskning med sikte på HPC.

En intressant aspekt värd att notera är att ARM:s snabba intåg i HPC-världen har öppnat dörrar för RISC-V genom att visa att alternativa instruktionsuppsättningar och RISC-arkitekturer fungerar alldeles utmärkt även för högprestandatillämpningar.

I år har mjukvara högsta prio

I fjol fokuserade RISC-V International på att standardisera sina instruktionsuppsättningar. I år är prioriteten att få mjukvarustacken på plats, särskilt för applikationsprocessorer.

Processorn är ett gränssnitt mellan hårdvara och mjukvara och en processorarkitektur måste ha en instruktionsuppsättning som tillfredsställer båda.

När väl det är på plats så behöver mjukvara och hårdvara implementeras.

Förra året hade RISC-V International under ledning av sin CTO Mark Himelstein som högsta prioritering att klubba igenom slutgiltiga specifikationer av de viktigaste tilläggen till instruktionsuppsättningarna.

DETTA LYCKADES MAN MED. Under 2021 slutfördes 15 specifikationer. En var vektorinstruktioner, som är viktiga för maskininlärning, högprestandaberäkningar och multimediatillämpningar. En annan var hypervisortillägget, som behövs för moln och virtualisering.

Nästa steg blir då mjukvara och hårdvara. Hårdvaran står chipleverantörerna själva för, så RISC-V International har istället pekat ut mjukvara som det prioriterade området för 2022.

Även om stora delar av mjukvarustacken redan finns tillgänglig för RISCV, så saknas några viktiga pusselbitar. Det kan handla om operativsystem, både proprietära och öppna, som senaste versionen av Android, eller mjukvarustandarder som ACPI eller EFI.

EN SPECIELL UTMANING med RISC-V är att det i dagsläget finns ett 40-tal tillägg till grundinstruktionsuppsättningen. För att underlätta för mjukvaruleverantörerna har RISC-V International tagit fram vad man kallar för profiler.

En profil beskriver en samling av instruktionstillägg som mjukvaruleverantörerna kan förvänta sig finnas implementerade så att de slipper ta höjd för alla upptänkliga kombinationer av tillägg.

I dagsläget finns det planer på tre profiler där RV22A, alltså år 2022:s profil för applikationsprocessorer, är högst prioriterad.

På sikt kommer även profilerna M för mikrocontrollers, samt I (Integer) för basuppsättningen att definieras.