Anspruchsvolle Digital-ICs mit hoher Leistungsdichte, darunter Grafikprozessoreinheiten (GPUs) und FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), sind in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen für Bereiche wie Automotive, Medizin, Tele- und Datenkommunikation, Industrie, Kommunikation, Gaming sowie Consumer-Audio/Video zu finden. Angesichts dieser Marktdurchdringung überrascht es nicht, dass die weltweite Nachfrage nach digitalen ICs, die mit hohen Strömen und niedrigen Spannungen arbeiten, geradezu explodiert.
Der derzeitige Weltmarkt für digitale ICs wird auf mehr als 1,8 Milliarden US-Dollar geschätzt, und Experten erwarten, dass dieser jährlich um 10,87 Prozent wächst und von 2018 bis 2025 ein Volumen von 3,7 Milliarden US-Dollar erreicht. Als eines der größten Marktsegmente machen FPGAs bis Ende 2025 voraussichtlich ein Volumen von 1,53 Milliarden Dollar aus. Das verbleibende Marktvolumen für digitale ICs entfällt auf GPUs, Mikrocontroller und Mikroprozessoren, programmierbare Logikbausteine (PLDs), digitale Signalprozessoren (DSPs) und anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs).
Digitale ICs und ihre Vorteile
Digitale ICs mit hoher Leistungsdichte haben sich praktisch in allen Embedded-Systemen etabliert. FPGAs ermöglichen zukunftsträchtige Anwendungen in allen genannten Marktsegmenten.
So verhindern beispielsweise in Automobilanwendungen fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADASs) und Kollisionsvermeidungssysteme Unfälle durch menschliche Fehler. Ebenso sind FPGAs erforderlich, um von Behörden vorgeschriebene Sicherheitsfunktionen wie Antiblockiersysteme, Stabilitätskontrolle und elektronisch gesteuerte Fahrwerke zu erfüllen.
Nach aktuellem Stand in der Konsumgüterelektronik treibt die steigende Nachfrage nach IoT-Funktionalität (Internet of Things), anspruchsvoller Grafik-Engine-Funktionalität und M2M-Funktionalität (Machine-to-Machine) den Bedarf an fortschrittlichen digitalen ICs. Darüber hinaus sorgen umfangreiche Datenspeicher- und Cloud-Rechenzentren sowie optische Datennetzwerke für einen zusätzlichen Bedarf an anwenderspezifischen FPGAs und digitalen ICs.
Diese digitalen Chips sind leistungsstark in puncto Performance und zugleich anspruchsvoll hinsichtlich des elektrischen Leistungsbedarfs. Üblicherweise wurden effiziente Schaltregler-Controller, die Hochleistungs-MOSFETs treiben, für die Versorgung von FPGAs und ASICs entwickelt und verwendet. Controller-basierte Leistungskonzepte in digitalen Schaltungsentwürfen beinhalten jedoch eine Menge an potenziellen Problemen, zum Beispiel durch Störungen, weisen ein relativ langsames Einschwingverhalten auf und bringen gravierende Einschränkungen beim Layout mit sich.
In den letzten Jahren wurden als Alternative kleine und störungsarme sogenannte Low-Dropout-Regler (LDOs) eingesetzt, die jedoch wiederum eigene Einschränkungen mit sich bringen. Jüngste Innovationen im Bereich der elektrischen Leistungswandlung haben monolithische Hochleistungs-Schaltregler hervorgebracht, die digitale ICs mit geringen Störungen und hoher Effizienz bei zugleich minimalem Platzbedarf effizient versorgen können.
