Микросхемы с подпороговыми рабочими напряжениями питания – революционный подход к снижению тока...

Микросхемы с подпороговыми рабочими напряжениями питания – революционный подход к снижению тока потребления

429
ПОДЕЛИТЬСЯ

Так компания Ambiq Micro заявляет, что их микроконтроллер на базе ARM Cortex-M4F будет потреблять всего 30 мкА/МГц. Более популярными на текущей момент решениями являются динамическое управление тактированием и напряжением питания. Т.е. Так в период приблизительно с 2008 год по 2012 безусловным фаворитом в этом направлении была норвежская стартап-компания Energy Micro, которая в 2013 году была приобретена компаний Silicon Labs за приблизительно $170 миллионов. раз для решения текущей задачки не требуется тот либо другой блок микросхемы, то для него отключается тактирование, понижается либо совсем отключается напряжение питания. Крайнее время в собственной работе повсевременно сталкиваюсь с задачками по понижению употребления разрабатываемых микросхем. При этом история указывает, что первую роль в этом направлении чрезвычайно нередко игрались стартапы. потреблением собственных микроконтроллеров на уровне 100 мкА/МГц. В целом основная мысль все та же – понижение напряжения питания, но в данном случае напряжение питания снижено ниже уровня порога транзистора. Такие гранды как Texas Instruments и Renesas пока меряются пи…. Крайнее время возникло несколько новейших стартапов уверяющих, что их решения дозволят понизить потребление в разы.

Потребляемая микросхемой энергия обоснована 2-мя причинами:
— статический ток утечки в транзисторах даже в том случае раз они не переключаются.
— динамический ток, требующийся для перезарядки емкости цепей когда происходят переключения.
Зависимость токов употребления от напряжения питания показаны на последующем рисунке. Для обыденных схем при работе динамический ток преобладает, в особенности для больших уровней питающего напряжения, которые на данный момент употребляются.

Так как динамический ток употребления пропорционален квадрату напряжения питания, то конкретно понижение напряжения питания является главным ключом к понижению общего употребления микросхемы (при этом мы имеет обратный, но не таковой драматический эффект роста статического тока употребления). А для схемы работающей на под пороговом напряжении 0,3В потребление может быть снижено в 36 раз. К примеру, раз сопоставить обыденную схему с 1,8В питанием и схему работающую в около пороговой области на 0,5В, то динамическое потребление понижается в 13 раз.

Аналоговые создатели могут оперировать с транзисторами в режиме усиления, т.е. И таковым образом «логической единице» будет соответствовать фактически не отличимое от «закрытого» состояние транзистора. А это значит, что для реализации микросхем по таковой схеме требуются новейшие подходы и решения. на уроне порогов. Внедрение подпороговых напряжений значит, что транзистор никогда не будет «открыт». Обычный дизайн цифровых микросхем подразумевает два состояния транзистора – «открыт» и «закрыт» — и это база концепции реализации цифровой логики.

Подпороговые решения известны уже несколько десятилетий.
Главным направлением их исследований была коммерциализация данной технологии. Разработка схем с подпороговыми напряжениями питания не являются чем то сверхновым. Учредители Ambiq были частью данных академических исследований, когда работали в Институте штата Мичиган. Еще в 70-х года швейцарские часовщики увидели потенциал использования транзисторов в подпороговом режиме. Опосля затишья, которое продолжалось несколько десятилетий, данная тема опять обрела академический энтузиазм в конце 90-х начала 2000-х годов. Эта мысль употребляется для кардиостимуляторов и RFID меток, но пока не считая этого наиболее нигде активно не применялась. К этому времени стало естественным значение тока употребления в коммерческой электронике и начались исследования разных способов в области понижения токов употребления.

Может быть, что недочеты этого подхода не разрешают применить его в обыденных критериях. И адаптация обычных инструментов и подходов для работы с подпороговым напряжением питания дозволили компании Ambiq коммерциализировать эту технологию. В первую очередь поменялись масштабы. Старенькые разработки употребляли максимум несколько 10-ов транзисторов работающих в подпороговом режиме и таковая схема могла быть рассчитана и оптимизирована вручную. Можно так же спросить, что поменялось с 70-х годов, когда возникли 1-ые подпороговые коммерческие устройства. Возникает вопросец, почему раз возможность работать с подпороговыми напряжениями питания были известна с 70-х годов, то она до сих пор не применяется. Проще говоря: «Если это так просто, то почему все не делают так ?» Ответ прост: «Потому что это чрезвычайно не просто». На данный момент микросхемы содержат миллионов транзисторов. Рассчитать такую схему вручную нереально и для их разработки приходится применять обычные программные инструменты, которые нацелены в первую очередь на работу со обычной надпороговой логикой. В данной технологии нет фатальных недочетов, но переход к способам работы с подпороговыми напряжениями питания не тривиален.

Трудности подпорогового режима
Адаптация обычных надпороговых подходов для разработки схем с подпороговым напряжением питания имеют несколько главных заморочек.

Нехорошие модели транзисторов
Модель транзистора эта база основ всего в разработке современной микроэлектронике. Все симуляторы, все абстракции и автоматизации всего процесса разработки завязаны на точность модели транзистора.

Большая часть современных моделей транзисторов сфокусированы на его работу при больших напряжениях питания, т.е. Но при питании от 0В до порога эти модели не работают совсем либо выдают неадекватные данные. они довольно точно обрисовывают его поведение при питании существенно выше порога.

Логические переключения и шумы
В подпороговом режиме ток через «открытый» транзистор всего в 1000 раз больше тока «закрытого» транзистора, в то время как для обыденного режиме это соотношение превосходит несколько миллионов. Таковым образом, наружным шумам существенно легче исказить работу схемы. В подпороговом режиме для обнаружения изменение тока через транзистор при переходе из «открытого» в «закрытое» состоянии и обратно требуется крупная чувствительность. И хотя токи меняются в геометрической прогрессии от конфигурации напряжения, но они все равно остаются очень малыми.

Чувствительность к условиям эксплуатации
С учетом того что и так соотношение токов «открытого» и «закрытого» составляют порядка тыщи такое изменение не может быть проигнорировано. К примеру, при отклонении процесса производства кристаллов в медленную сторону ток через транзистор будет в 10-100 раз меньше чем при типовом процессе. Подпороговый режим работы транзистора также еще наиболее чувствителен к отклонениям процесса производства и критерий окружающий среды.

Перепады температуры так же оказывают большущее влияние на токи транзисторов. При этом конфигурации токов в подпороговом режиме на порядки превосходят конфигурации токов в обыкновенном режиме. Таковым образом, при разработке схемы с внедрением подпороговых напряжений питания разрабам требуется доп усилия, что бы схема была работоспособна в разных критериях эксплуатации.

Инфраструктурные трудности
Эти измерительные приборы разрешают измерять микроамперы, а необходимо нано- и даже пикоамперные спектры. Это соединено с разными неуввязками, к примеру, тестовые установки и измерительные приборы с помощью которых контролируются процессы производства не владеют достаточной точностью, требуемой для работы с под пороговыми напряжениями питания. Современное процесс производства микросхем основан на использовании надпороговых напряжений питания, и перестают работать при применение под пороговой технологии.

Даже набор черт схем на подпороговом напряжении питания должен быть переосмыслен по отношению к обычным схемам. Обычный набор параметров не может быть достаточным, что бы доказать, что схема с подпороговом напряжением питания будет работать на сто процентов верно во всех режимах эксплуатации.

Решение от Ambiq
Ambiq охарактеризовала некий избранный набор транзисторов из обыкновенной технологии производства для работы в подпороговом режиме. При данной характеризации были обмерены огромное число однотипных транзисторов для получения высококачественных статистических данных разброса характеристик, это нужно для того что бы найти и осознать разные эффекты, вызванные отклонением процесса производства, влиянием окружающей среды. Разработанная Ambiq SPOT разработка дозволяет лучше осознать поведение транзистора в этих критериях.

Опосля того как были получены высококачественные модели транзисторов на их базе была разработана библиотека обычных цифровых ячеек, которые сумеют работать в подпороговом режиме. При разработке библиотеки обычных ячеек приходилось решать две взаимоисключающие задачки — приходилось делать схемы с очень высочайшей чувствительностью, и при этом минимизировать собственное потребление ячейки. Данная библиотека так же кропотливо изучена и охарактеризована.

В неких вариантах воплотить схему на подпороговом режиме транзисторов не удавалось, и приходилось применять транзисторы в обыкновенном режиме с обыденным питанием, и применение таковых схем в малых количествах не сильно сказывается на общем потреблении. В вариантах когда требуется завышенная производительность и подпорогового напряжения уже не хватает для обеспечения требуемой скорости, напряжение может быть поднято до порогового уровня либо даже выше. В то время как разработка цифровых ячеек для подпорогового режима была во многом построена по переработке уже имеющихся решений, то для разработки аналоговых блоков требуется остальные схемотехнические решения, которые принципиально различаются для тех, которые традиционно используются. Разработка аналоговых схемы требуют доп усилий. При включении питания схема начинает работать в режиме с питанием выше порога. Так же для стабильной работы схемы приходится динамически выслеживать наружные причины, к примеру, такие как температура, и в зависимости от их перестраивать режимы работы подпороговых схем, для обеспечения их высококачественной работы. Разумеется, что в этом случае растет и потребление. Неплохим примером этого служит энергонезависимая память, в которой хранятся опции и калибровочные коэффициенты пока устройство выключено. Опосля того как настройка завершена и калибровочные коэффициенты переписаны в настоечные регистры питание понижается до подпорогового уровня, а энергонезависимая память больше не употребляется. При разработке схем с подпороговым уровнем питания нет общих подходов, пригодных для всех случаев.

Много усилий было потрачено на то, что бы разработка работы в подпороговых режимах обеспечивала работоспособность в рамках обычных действий производства кристаллов. Разработка Ambiq работает в тех действиях, которые уже отлично известны и проверены и обширно используются. Особые процессы производства кристаллов могли бы облегчить жизнь, но они существенно удорожили изготовка.

Процесс разработки основан на специальной библиотеке охарактеризованной для особых критерий работы в подпороговых режимах. Ambiq просто сделала тоже самое для наиболее обычных и доступных технологий, что позволило существенно понизить потребление. Этот процесс во многом повторяет те задачки которые стоят при разработке схемы для 28-нм процесса.

Так же отбраковочное тестирование микросхем просит большей тщательности, ежели это принято для обыденных микросхем, так как требуется измерить микросхему в большем числе композиций наружных критерий. Чрезвычайно огромное внимание было уделено задачкам тестирования схем. Так как обыденное измерительное оборудование не может с достаточной точностью измерить потребление микросхемы.

По этому микросхемы от Ambiq были подвержены целой серии испытаний на надежность, в том числе в критериях экстремальных действий наружных причин. В целом все этапы разработки микросхем были переосмыслены и изменены для обеспечения работоспособности схемы в подпороговом режиме и понижения тока употребления. Все тесты доказали, что микросхемы владеют нужной надежностью. Для разрабов аппаратуры надежность микросхем является не наименее принципиальным параметром на ряду с потреблением. Разработка схем по новейшей технологии просит, что бы они были проверены, что они работают в течении долгого времени жизни. В том числе были проведены остальные обычные тесты, к примеру на устойчивость к статическому электричеству.

Заключение
И планирует начать выпуск микроконтроллеров серии Apollo c максимально низким уровнем употребления 30 мкА/МГц. В настоящее время компания Ambiq уже выпустила серию микросхем часов настоящего времени с потреблением не наиболее 55 нА.

Главные свойства микроконтроллеров Apollo:

Сверх маленькое потребление в активном режиме 30 мкА/МГц
Сверх маленькое потребление в спящем режиме 100 нА (RTC включен)
Высокопроизводительное ядро ARM Cortex-M4F
Тактовая частота до 24 МГц
Память программ до 512 Кбайт Flash
Память данных до 64 Кбайт
АЦП 10 бит, 13 каналов со скоростью до 1 Мвыб/с
Обычный набор периферии I2C, SPI, UART
Напряжение питания от 1,8В до 3,8В
Малогабаритные корпуса 64 выводной BGA и 42 выводной CSP

Сопоставление микроконтроллера Apollo с иными микроконтроллерами:

Сопоставление проводилось на тесте Coremark.

По материалам:
habrahabr.ru