Entwicklung einer leistungsstarken RISC-V-Architektur als Hochtemperatur-ASIC für Tiefbohrsysteme

Die zunehmende Bedeutung geothermischer Energie im Zuge der Energiewende erfordert präzisere und zugleich wirtschaftlichere Tiefbohrtechnik. Moderne Bohrsysteme müssen in mehreren Kilometern Tiefe arbeiten, wo Temperaturen über 200 °C, hoher Druck und durch den Bohrvorgang starke Vibrationen herrschen. Da eine Datenübertragung zur Oberfläche nur eingeschränkt möglich ist, müssen Signalverarbeitungs- und Steuerungsalgorithmen unmittelbar vor Ort ausgeführt werden. Bestehende Hochtemperatur-Elektronik stößt hier an ihre Grenzen: kommerzielle Lösungen sind entweder rechenleistungsschwach, teuer oder schwer anpassbar. Moderne Fertigungstechnologien unter 10 nm sind für den Hochtemperatur-Bereich ungeeignet, da sie oberhalb von 100 °C rapide an Zuverlässigkeit verlieren. Daher kommen spezialisierte Technologien wie XFAB XT018 zum Einsatz, deren Integrationsdichte jedoch rund drei Jahrzehnte hinter modernen Prozessen zurückliegt. Dies erfordert ein Architekturdesign, das technologische Limitierungen auf System- und Mikroarchitekturebene kompensiert und dabei dennoch eine gewisse Robustheit aufweist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Prozessor HOT-RISC-V entwickelt, der speziell für den Betrieb in Hochtemperatur-Umgebungen konzipiert ist. Er basiert auf der offenen RISC-V-ISA und kombiniert Modularität, Energieeffizienz und Robustheit. Eine eigens entwickelte Entwurfsraum-Explorations-Methodik variiert Architekturparameter systematisch, um den optimalen Kompromiss zwischen Rechenleistung, Energieverbrauch und thermischer Stabilität zu finden. Der HOT-RISC-V wurde in XT018-180nm-SOI-Technologie als IC gefertigt. Messungen zeigen stabile Funktion bis 200 °C und Taktraten bis 220 MHz -- mehr als doppelt so hoch wie bei bisherigen Hochtemperatur-Prozessoren. Mit einem Wert von bis zu 1.41 CoreMark/MHz bei 175 °C erreicht der Prozessor eine bislang unerreichte Kombination aus Leistung und thermischer Widerstandskraft. Die Ergebnisse belegen, dass sich durch gezielte architekturelle Optimierung die Nachteile älterer Hochtemperatur-Technologien weitgehend kompensieren lassen. Damit eröffnet der HOT-RISC-V neue Möglichkeiten für lokale Datenverarbeitung in der Tiefbohr-, Geothermie- und Hochtemperatur-Elektronik und bildet eine skalierbare Grundlage für zukünftige Hochtemperatur-SOCs.