Ein Forscher setzt einen „Masur“-Chip auf einer Test-Leiterplatte ein. Foto: Rafael Vinz für das Barkhausen-Institut
Barkhausen-Forscher zeigen Plattform-Schaltkreis, der Entwicklungskosten für sichere Mikroelektronik zehnteln soll
Dresden, 28.04.26. Ein kleiner Schaltkreis aus dem Barkhausen-Institut (BI) Dresden hilft Unis und jungen Mikroelektronik-Unternehmen aus Deutschland, die „Made in Germany“-Chips von morgen zu entwickeln. Der „Masur“ gibt Hightech-Tüftlern die Möglichkeit, beispielsweise besonders sichere und vertrauenswürdige Chip-Prototypen zu einem Zehntel der sonst üblichen Kosten komplett zu designen, in Sachsens Halbleiterfabriken herzustellen und vor der Massenproduktion noch mal richtig durchzutesten. Darauf hat das an die TU Dresden angedockte Barkhausen-Institut heute hingewiesen.
Prof. Gerhard P. Fettweis. Foto: Andreas Traßl für die TU Dresden
„Wenn wir digitale Systeme unabhängig und sicher gestalten wollen, müssen wir auch die Chips selbst entwickeln können.“
Gründungsdirektor Prof. Gerhard Fettweis vom Barkhausen-Institut
Herstellbar sind auf diesem Wege beispielsweise Beschleuniger für „Künstliche Intelligenzen“ (KI), Roboter-Steuerchips, Automobilelektronik oder andere Halbleiter für innovative Technologieprodukte. „Wenn wir digitale Systeme unabhängig und sicher gestalten wollen, müssen wir auch die zugrunde liegenden Chips selbst entwickeln können“, erläutert Prof. Gerhard Fettweis, der Gründungsdirektor des Barkhausen-Instituts. „Der Masur25-Chip erlaubt externen Partnerinstitutionen, eigene Module zu integrieren und zu testen, ohne selbst einen kompletten Chip entwerfen und fertigen lassen zu müssen. Wir verkürzen die Entwicklungszeiten und reduzieren die Kosten damit erheblich. So senken wir für unsere Partner die Einstiegshürden beim Chipdesign deutlich.“ Auf dem Weg gen Chipfabrik befindet sich bereits das Nachfolgemodell „Masur26“.
Wie ein Lego-Modell, in das der Kunde zum Schluss nur noch den „Wesenskern“ hineinsteckt
Vorstellen kann man sich den „Masur“ wie vorbereiteten universellen Steckbaukasten nach dem Lego-Prinzip: Außer seinem „Wesenskern“, den der Partner oder Kunde als sein Funktionsmodul letztlich einfügt, enthält dieser „Baukasten“ bereits alles, was ein „System auf einem Chip“ (SoC) ausmacht: Prozessorkerne nach dem quelloffenen „RISC-V“-Standard, Verschlüsselungsbeschleuniger, Leitungen zu Speicherbausteinen und Verbindungen nach außen. Diese digitalen und teils auch analogen Infrastrukturen für den Chip vom Urschleim an selbst zu entwerfen, würde ein frisch gegründetes Unternehmen schnell überfordern. Von daher geht Chipdesign-Forscher Dr. Mattis Hasler vom BI davon aus, dass „Masur“-Nutzer den sonst üblichen Aufwand vom Chipentwurf bis zum testfähigen Schaltkreis „um den Faktor 10“ verringern können. Im Vergleich zur klassischen Alternative, sich eine Logikmatrix auf einem „FPGA“-Gatterschaltkreis zu knüpfen, sei die „Masur“-Lösung viel schneller und energie-effizienter.
M³-Betriebssystem setzt auf Abschottung, um Chips gegen Angriffe zu feien
Ein weiterer Vorteil, mit dem die Barkhausen-Forscher werben: Sie haben für den „Masur“ und andere Logikschaltungen ein eigenes Betriebssystem „M³“ entwickelt. Das ist besonders auf Datensicherheit und Angriffsabwehr getrimmt. Zusammen mit speziellen „Trusted Communication Units“ (TCU) schottet es die einzelnen Chipkomponenten soweit voneinander ab, das selbst bei einem erfolgreichen Hackerangriff auf einen Funktionsblock nicht das ganze System korrumpiert wird. Dieser Fokus ist dem Wunsch geschuldet, im internationalen Wettbewerb mit besonders vertrauenswürdigen und sicheren Chips zu punkten, die gut gegen Industriespionage und Geheimdienst-Attacken gefeit sind oder sich für medizinische und militärische Elektronik eignen.
Sachsens Halbleiter-Ökosystem zeigt: Nahezu komplette Chip-Wertschöpfungskette vor Ort möglich
Hinzu kommt: Eingedenk der globalen Autoelektronik-Lieferkettenstörungen und Chipkrisen, die durch den Nexperia-Streit, Corona, den russischen Angriff auf die Ukraine und den US-israelischen Angriff auf den Iran und den Libanon sowie weitere Ereignisse ausgelöst wurden, wächst im EU-Raum der Wunsch nach eigenen, besonders resilienten Lieferketten für die europäische Mikroelektronik-Produktion. Auch deshalb haben die Barkhausen-Forscher den „Masur“ stark im sächsischen Halbleiter-Ökosystem verankert: Das Umfeldchip-Design für den Kunden übernehmen die Entwurfs-Teams am BI sowie die Dresdner Uni-Ausgründung „Racyics“. Letztere bereiten die Entwürfe dann auch für die Produktion auf und leiten sie dann an die Dresdner Chipfabrik von Globalfoundries. Racyics organisiert danach auch die Endmontage der fertigen Schaltkreise. Der Radebeuler Elektronikentwickler „Contronix“ lötet die Chips dann auf Leiterplatten, ergänzt sie um weitere Bausteine, so dass im Anschluss der eigentliche „Gesundheits-Check“ des neuen Kunden-Schaltkreises ohne lange Basteleien beginnen kann.
Auf dieser Archivaufnahme von 2018 zeigt Mattis Hasler einen der Tomahawk-Prozessoren, die das Team um Prof. Gerhard Fettweis seinerzeit an der TU Dresden für die 5G-Forschung entworfen hatte. Foto: Heiko Weckbrodt
Erfahrungen mit Chipdesign und dem Aufbau einer kompletten Mikroelektronik-Wertschöpfungskette im Kleinen bringt das Barkhausen-Team zur Genüge mit: Ab 2014 stellte das Kollektiv um Prof. Fettweis an der TU Dresden eine Serie von Mehrkern-Prozessoren vom Typ „Tomahawk“ vor, der wegweisend für den Mobilfunk der 5. Generation (5G) war und damals ebenfalls von Globalfoundries Dresden produziert wurde. Nach der Gründung des Barkhausen-Instituts folgten weitere Kommunikationschip und Plattform-Prozessoren wie „Kachel“ und ab 2023 eben „Masur
Namenspate ist Dirigent Kurt Masur
Der regionale Bezug zieht sich übrigens bis hin zur Namensgebung – und die hat mit einem Wortspiel zu tun, das sich wohl nur Mikroelektroniker ausdenken können: Namenspate sei der Dirigent Kurt Masur (1927-2015), der über Jahrzehnte hinweg in Sachsen gewirkt hat, verrät Instituts-Sprecherin Annika Höritz. Er galt den Sachsen als besonders vertrauenswürdig – ähnlich wie es der Masur-Chip sein soll. Zudem heißt „Dirigent“ auf englisch „Conductor“. Das wiederum bedeutet aber auch im elektrischen Sinne „Leiter“. Das wiederum ist das Gegenteil von „Isolator“ (englisch: „Insulator“) – und der symbolisiert das Abschottungs-System im „Masur“-Chip.
Autor: Heiko Weckbrodt
Quellen: Barkhausen-Institut, Racyics, Wikipedia, Oiger-Archiv, Linkedin
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