Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 8 minutes
Onder leiding van Astron in Dwingeloo ontwikkelt een Europees consortium van elf landen de technologie voor de Square Kilometre Array (SKA), de krachtigste ruimtetelescoop ter wereld. Aan RF- en microgolfdesigners de uitdaging om met de juiste keuze in integratie, componenten en chiptechnologie de kosten in de hand te houden. In 2020 moet hij klaar zijn, ‘s werelds krachtigste telescoop. De Square Kilometre Array (SKA) is een met antennes bedekte vierkante kilometer die gevoelig is voor ruimtelijke straling van 100 MHz tot 25 GHz. Met geavanceerde fasesturing zal de vierkante-kilometerarray diep, maar ook heel nauwkeurig in het heelal kunnen kijken. ’Naar uitbar-stingen van gammastraling, naar planeten buiten ons zonnestelsel en naar het ontstaan van sterrenstelsels, donkere materie en zelfs terug naar de Big Bang, waar het allemaal mee begon‘, valt te lezen op de website van Astron, dat dit internationale project onder zijn hoede heeft. SKA zal individuele objecten aan de hemel kunnen volgen. Vijftig instituten in zeventien landen zijn actief betrokken bij de ontwikkeling van het SKA-systeem.
SKA is de opvolger van Lofar, de Low Frequency Array die nu rondom Dwingeloo wordt gebouwd en die vanaf 2006 waarnemingen zal doen in lage frequenties van 10 tot 250 MHz. Momenteel reizen onderzoekers van Astron de wereld af om voor SKA de minst gestoorde vierkante kilometer te zoeken. September 2006 wordt de winnaar bekend, Argentinië, Australië, China of Zuid-Afrika.
De SKA-ingenieurs bij Astron zijn intussen druk in de weer met Embrace, waarvoor Brussel 10,4 miljoen euro aan subsidie heeft toegekend. Lokale financiering waaronder een bijdrage van NWO vult de totale projectomvang aan tot 38 miljoen euro.
Embrace is een 600 vierkante meter grote demonstrator voor SKA met 50 duizend antennes, 50 duizend lage-ruisversterkers (low noise amplifiers, LNA‘s) en andere geavanceerde elektronische componenten. Embrace verrijst in het Drentse Westerbork. Deze proefopstelling beslaat slechts 0,1 procent van SKA en is in vergelijking met de kilometerarray maar een volkstuintje.
De chipintegratie binnen Embrace moet de prijs per antenne en ontvanger al een flinke stap omlaag brengen. Want dat is de grote uitdaging: kosten verlagen. Wie nu SKA wil bouwen volgens de eisen die op papier staan, moet voor elke vierkante meter 10 duizend euro neertellen. Daarmee zou de totale hardware van de kilometerarray neerkomen op 10 miljard euro. Astron gaat ervan uit dat de kosten fors omlaag kunnen met de rek die er nog steeds in chip- en designtechnologie zit. Uiteindelijke doel is een kostenplaatje van 1 miljard euro.
Extreem lage ruis
Het zoeken is naar ontvangsttechnologie met een extreem laag ruisgetal. ’We willen lage kosten én een hoge performance‘, zegt Jan Geralt Bij de Vaate, wetenschappelijk projectmanager R&D van Astron. ’Het mag straks niet meer kosten dan een euro of twee per antenne.‘ Daarbij komen de standaard vragen terug: welke chipproductietechnologie gebruik je en waar kun je in kosten en kwaliteit winnen als je functies of sys-teemdelen integreert?
Meestal hanteren RF-designers decibel (dB) als maat voor de ruis, maar bij Astron hanteren ze Kelvin (K). Dat is makkelijker vanwege de zeer lage ruisgetallen die ze nastreven. Voor SKA mag het hele ontvangstsysteem niet boven de 35 K (0,5 dB) uit komen. ’Dat betekent een low noise amplifier met een ruistemperatuur in de orde van 22 Kelvin‘, legt Bij de Vaate uit.
Deze extreme eisen zijn ongekoeld nog niet gehaald. Traditioneel koelt de radioastronomie zijn systemen tot 20 K, zodat allerlei onderdelen die ruisen op de omgevingstemperatuur van 300 K niet storen. Bij de Vaate: ’Honderd miljoen antenne-elementen koelen voor SKA zou te veel vermogen vragen en veel te duur zijn. Maar toch willen we ruiseisen halen die vergelijkbaar zijn met gekoelde systemen.‘ Net als bij productieprocessen voor digitale logica werken de schaalwetten van de chiptechnologie hier in het voordeel. De afsnijfrequentie ft van transistoren verbetert naarmate de dimensies kleiner worden. Bij de Vaate: ’De ruis kan nog zoveel zakken dat we inderdaad denken daarvoor hele goede waarden te kunnen halen.‘
100 miljoen antennes
De array van de vierkante kilometer bestaat straks uit 100 miljoen ontvangstantennes en 100 miljoen low noise amplifiers. Na de LNA is dan nog fasedraaiing nodig om alle antennes te synchroniseren en het totale systeem in een richting te laten kijken. Het plan is bovendien om met twee fasedraaiers te gaan werken. ’Na de LNA splitsen we het signaal op in tweeën en sturen het naar twee verschillende beamvormers, zodat je er tegelijkertijd mee naar twee verschillende bronnen kunt kijken. Dat betekent dat er twee groepen astronomen tegelijk in verschillende richtingen kunnen kijken. Dat is cruciaal, want tijd op een instrument van 1 miljard euro en jaarlijkse beheerskosten van 100 miljoen euro is vreselijk belangrijk.‘
LNA
De lage-ruisversterker of LNA is een cruciaal onderdeel in het behalen van hoge kwaliteit. Deze transistor moet de straling uit de ruimte versterken en daarbij zo min mogelijk ruis toevoegen. De ruis van een ontvangstversterker is omgekeerd evenredig met de ft van een versterker. ’Hoe hoger de afsnijfrequentie, hoe minder ruis‘, zeg Bij de Vaate. Op dit moment zijn het vooral de meer exotische halfgeleiders als indiumfosfide (InP) en galliumarseen (GaAs) die hieraan voldoen.
Bij de Vaate ziet InP HEMT‘s en metamorf GaAs als kanshebbers voor de productie van de ontvangstantennes. Metamorfisch GaAs zit tegen het amorfe aan door een hoge verontreinigingsgraad. Deze GaAs-variant heeft afsnijfrequenties van rond de 200 GHz. Bij de Vaate: ’Dat is te vergelijken met InP.‘
Metamorfisch GaAs heeft daarbij als grote voordeel dat het substraatmateriaal veel goedkoper is dan InP. Bij de Vaate: ’We testen nu ontvangers in pseudomorf GaAs HEMT-technologie en InP. Dit jaar doen we metamorfisch GaAs.‘ Pseudomorf heeft een kanaaldotering van rond de 10 procent. Metamorf heeft een indiumdotering van 40 tot 60 procent en door deze hoge verontreinigingsgraad is een metamorf GaAs-kristal veel moeilijker te maken. Er zijn echter fabrikanten die het proces onder de knie hebben, zoals Philips-dochter Ommic bij Parijs. Dit soort chipfabrieken bieden deze processen voor snelle telecomlinks en 94 GHz antibotsingsradar voor automotive. ’Daar liften wij op mee‘, aldus Bij de Vaate.
Consumententoepassingen zoals botsingsradar en telecom zorgen ervoor dat productieprocessen voor GaAs en InP aan schaalgrootte winnen en daardoor goedkoper worden. Van de andere kant schuiven conventionele processen zoals voor BiMOS en CMOS op naar hogere frequenties. Hier winnen RF-designs door de schalingswetten in prestatie, net als digitale circuits. Zo is voor 0,18 micron CMOS de afsnijfrequentie 50 GHz, maar bij 90 nm stijgt dat al naar 100 GHz.
Multiproject wafer runs
Het is duur om te experimenteren met GaAs- en InP-technologie, maar wie chips in conventionele siliciumprocessen wil laten lopen, betaalt zich ook blauw. Daar zijn de meest geavanceerde processen het meest interessant vanwege de laagste ruis en beste frequentiekarakteristieken. ’Maar het is behoorlijk duur‘, zegt Bij de Vaate. ’Kosten delen is mogelijk in multiproject-wafer runs, waarbij we een plak delen met andere partijen. Maar IBM of TSMC vragen snel 90 duizend dollar voor enkele chipjes uit een 0,13 micron-proces.‘ Hoewel galliumarseen en indiumfosfide duur zijn, is het wel eenvoudiger om kleine aantallen chips te laten produceren in deze technologie.
Experimenteren met de meeste geavanceerde processen is technisch aanlokkelijk, maar voor de uiteindelijke bouw van de telescoop zal massaproductie in een conventionele fab ook het goedkoopste zijn. ’Als we voor SKA tientallen miljoenen chips nodig hebben, dan kunnen we met commerciële processen zeer lage kosten behalen. Wij denken dat lage ruis er straks voor CMOS in zit. Op dit moment is het nog niet voldoende, maar wel als 90 nanometer RF-CMOS beschikbaar komt.‘
Aan RF-CMOS werkt Astron samen met de researchgroepen van John Long in Delft en Bram Nauta in Twente. Delft onderzoekt de mogelijkheden van een bipolair SiGe-proces, Twente kijkt naar CMOS. ’We hebben lage ruis nodig voor de LNA, maar voor de vectormodulator is een 0,25 micron-proces wellicht voldoende. Maar dan moet je je wel weer afvragen of die technologie na 2014 nog beschikbaar is.‘
Bewezen strategie
Integreren is ook in RF een bewezen strategie om de kosten omlaag te brengen. Bovendien belooft samenvoegen van onderdelen op één halfgeleiderkristal kwaliteitsvoordelen. ’Sleutelwoord is geïntegreerde breedbandantennes‘, aldus Bij de Vaate. Wie in een systeem antenne en LNA koppelt, zal dat meestal doen via een stroomverbinding met de standaard impedantie van 50 ohm. ’Bij de integratie kan je winnen door niet standaard 50 ohm te nemen, maar een impedantieniveau af te spreken dat precies goed is.‘
Zo is in principe een betere systeemprestatie te halen, maar het nadeel is dat de eigenschappen van een geïntegreerde antenne niet te meten zijn. ’Daar bestaat geen apparatuur voor. Op de TU Delft en bij Philips hebben ze een opstelling waarmee je de ruisparameters van de LNA kunt proberen te achterhalen. Maar dan weet je nog steeds niet wat de combinatie van antenne en LNA precies doet. Daar worstelen we nu mee. Ook in de telecom zie je dit niet, dus in feite kan niemand ons met het karakteriseren van een geïntegreerde antenne helpen.‘
Optische uitgang
Ook het integreren van een optische uitgang is een optie. Dat kan met indiumfosfide, ook al is het productieproces daarvan peperduur. InP maakt integratie met optische functies zoals diodelasers mogelijk. ’In een extreem geval kun je een lage-ruisversterker integreren met een RF-verbinding on-fiber‘, speculeert Bij de Vaate. ’Dus geen digitale verbinding, maar een RF- en dus analoog signaal dat met fibertjes naar een kast gaat. Het enige dat je dan hebt buitenstaan, is een paar antenneflappen, een klein chipje en fibers.‘
Op deze manier zijn in principe de hoge kosten voor printplaten te omzeilen. ’Dit soort borden zijn natuurlijk erg duur‘, wijst Bij de Vaate naar het eerste prototype. ’Door het grote aantal componenten en de vele draden. De acht metaallagen van dit bord maken het ook duur.‘
Het probleem voor RF-on-fiber is echter dat de markt voor deze onderdelen in tegenstelling tot digitale lasers niet groot is. ’Het gaat om een analoog optisch signaal. Dat is toch iets anders dan bits sturen. Je hebt dan een andere dynamisch-bereikproblematiek. Het signaal mag niet vervormd zijn.‘ De grote voordelen van integratie wegen mogelijk op tegen de nadelen van het dure InP. ’Met aantallen van honderd miljoen chips zijn er ook wel geïnteresseerde bedrijven te vinden.‘
Volgens Bij de Vaate is RF-to-fiber niet voor de hand liggend. Maar de verschillende mogelijkheden en opties laten in ieder geval wel duidelijk zien dat een keuze voor silicium- of andere halfgeleiderprocessen nog lang geen uitgemaakte zaak is.
| 1995-2008 | R&D en beproeving technologie |
| 2005 | testen sites (Argentinië, Australië, China en Zuid-Afrika) |
| 2006 | verkiezing site (september) |
| 2007 | externe beoordeling technische ontwerpen |
| 2009 | finale keuze technisch ontwerp |
| 2009 | indienen voorstellen gefaseerde ontwikkeling SKA |
| 2010 | start constructiefase 1 |
| 2013 | review voor implementatie volledige array |
| 2014 | start constructie volledige array |
| 2020 | constructie klaar |
