最近、私の仕事では、開発された超小型回路の消費を削減するという課題に常に直面しています。 現時点で最も一般的なソリューションは、クロッキングと電源電圧の動的制御です。 つまり 現在の問題を解決するために、この回路またはそのマイクロ回路のブロックが不要な場合、そのためにクロッキングをオフにし、電源電圧を下げるか、完全にオフにします。 テキサス・インスツルメンツやルネサスなどの巨人はまだ
チップで消費されるエネルギーは、次の2つの理由によるものです。
-トランジスタがスイッチングされていない場合でも、トランジスタの静的リーク電流。
-スイッチング発生時に回路容量を再充電するために必要な動的電流。
従来の回路では、特に現在使用されている高い電源電圧レベルでは、動作中に動的電流が支配的です。 消費電流の電源電圧への依存性を次の図に示します。
消費の動的電流は供給電圧の2乗に比例するため、超小型回路の総消費量を削減するための主な鍵となるのは、まさに供給電圧の削減です（この場合、反対の効果がありますが、消費の静的電流の増加による劇的な影響はありません）。 たとえば、1.8Vの電力を使用する従来の回路と、しきい値領域の近傍で0.5Vで動作する回路を比較すると、動的消費は13倍削減されます。 また、0.3 Vのしきい値電圧で動作する回路では、消費を36倍削減できます。
デジタルマイクロ回路の従来の設計では、トランジスタの2つの状態（「オープン」と「クローズ」）が関係し、これがデジタルロジックを実装する概念の基礎となります。 アナログ開発者は、ゲインモードでトランジスタを操作できます。 損傷のしきい値。 サブスレッショルド電圧の使用は、トランジスタが決して「オープン」にならないことを意味します。 したがって、「論理ユニット」はトランジスタの状態に対応し、実際には「閉じた」ものと区別できません。 そして、これは、このスキームによる超小型回路の実装には、新しいアプローチとソリューションが必要であることを意味します。
しきい値以下のソリューションは、数十年にわたって知られています。
しきい値以下の電源電圧を使用した回路の開発は、超新星ではありません。 70年代に、スイスの時計メーカーは、サブスレッショルドモードでトランジスタを使用する可能性に気付きました。 このアイデアはペースメーカーとRFIDタグに使用されますが、これまでのところ他のどこでも積極的に使用されていません。 数十年続いた小康状態の後、このトピックは90年代後半から2000年代初頭に学術的な関心を取り戻しました。 このときまでに、商用電子機器の消費電流の重要性が明らかになり、消費電流を削減する分野でさまざまな方法の研究が開始されました。 Ambiqの創設者は、ミシガン大学で働いていたとき、学術研究データの一部でした。 彼らの研究の主な焦点は、この技術の商業化でした。
70年代以降、サブスレッショルド電源電圧で動作する能力が知られている場合、なぜそれが適用されないのかという疑問が生じます。 このアプローチの短所は、通常の条件での適用を許可しない可能性があります。 簡単に言うと、「それがとても簡単な場合、なぜ誰もがそれをしないのですか？」答えは簡単です：「それは非常に難しいからです。」 この技術に致命的な欠陥はありませんが、サブスレッショルド電源電圧で動作する方法への移行は簡単ではありません。 また、最初のサブスレッショルド商用デバイスが登場した70年代以降、何が変わったのかを尋ねることができます。 まず、スケールが変更されました。 従来の開発では、サブスレッショルドモードで動作する最大数十個のトランジスタが使用されていたため、このような回路は手動で計算および最適化できました。 現在、チップには何百万ものトランジスタが含まれています。 そのようなスキームを手動で計算することは不可能であり、その開発には、主にしきい値を超える標準ロジックの操作に焦点を当てた標準ソフトウェアツールを使用する必要があります。 そして、サブスレッショルド電源電圧で動作するための標準ツールとアプローチの適応により、Ambiqはこの技術を商業化することができました。
閾値下の問題
サブスレッショルド電源電圧で回路を開発するために標準のサブスレッショルドアプローチを適応させるには、いくつかの重要な問題があります。
不良トランジスタモデル
トランジスタモデルは、最新のマイクロエレクトロニクスの開発におけるすべての基盤です。 開発プロセス全体のすべてのシミュレータ、すべての抽象化および自動化は、トランジスタモデルの精度に関係しています。
最新のトランジスタモデルのほとんどは、高電源電圧での動作に焦点を当てています。 彼らは彼の摂食行動をしきい値をはるかに超えて正確に説明しています。 ただし、0Vからしきい値まで電力を供給した場合、これらのモデルはまったく機能しないか、不十分なデータを生成します。
論理スイッチングとノイズ
サブスレッショルドモードでは、「オープン」状態から「クローズ」状態へ、またはその逆への移行中にトランジスタを流れる電流の変化を検出するには、より高い感度が必要です。 電流は電圧の変化から指数関数的に変化しますが、それでも非常に小さいままです。 サブスレッショルドモードでは、「開いた」トランジスタを流れる電流は「閉じた」トランジスタの電流の1000倍しかありませんが、通常モードではこの比率は数百万を超えます。 したがって、外部ノイズが回路の動作を歪ませることははるかに簡単です。
動作条件に対する感度
また、トランジスタのサブスレッショルド動作モードは、製造プロセスと環境条件の偏差に対してはるかに敏感です。 たとえば、結晶の製造プロセスが遅い側にずれると、トランジスタを流れる電流は通常のプロセスよりも10〜100倍少なくなります。 「オープン」と「クローズ」の流れの比率がすでに約1000であるという事実を考えると、そのような変化は無視できません。
温度変化は、トランジスタの電流にも大きな影響を及ぼします。 この場合、サブスレッショルドモードでの電流の変化は、通常モードでの電流の変化よりも桁違いに優れています。 したがって、サブスレッショルド電源電圧を使用して回路を開発する場合、開発者はさまざまな動作条件で回路を動作させるための追加の努力が必要です。
インフラストラクチャの問題
超小型回路の生産のための現在のプロセスは、超臨界電源電圧の使用に基づいており、しきい値技術の下で適用されると機能しなくなります。 これは、さまざまな問題が原因です。たとえば、製造プロセスを監視するテスト設備や測定機器には、しきい値供給電圧で動作するために必要な十分な精度がありません。 これらの測定機器を使用すると、マイクロアンペアを測定することができ、ナノおよびピコアンペアの範囲が必要になります。
サブスレッショルド供給電圧での回路の特性のセットでさえ、従来の回路との関係で再考されなければなりません。 一般的な一連の特性では、サブスレッショルド電源電圧の回路がすべての動作モードで完全に正しく動作することを証明するには十分ではありません。
Ambiqソリューション
Ambiq SPOTによって開発された技術により、これらの条件でのトランジスタの動作をよりよく理解できます。 Ambiqは、サブスレッショルドモードで動作するための従来の製造技術から選択されたトランジスタのセットを特徴付けました。 この特性評価では、同じタイプの多数のトランジスタを測定して、パラメーターのばらつきに関する高品質の統計データを取得しました。これは、製造プロセスの偏差、環境の影響によって引き起こされるさまざまな効果を検出および理解するために必要です。
トランジスタの高品質モデルがそれらに基づいて取得された後、サブスレッショルドモードで動作できる標準デジタルセルのライブラリが開発されました。 このライブラリも徹底的に調査され、特徴付けられています。 スタンダードセルのライブラリを開発する際には、相互に排他的な2つの問題を解決する必要がありました。非常に高い感度で回路を作成すると同時に、セルの消費を最小限に抑える必要がありました。
アナログ回路の開発には追加の努力が必要です。 サブスレッショルドモード用のデジタルセルの開発は、既存のソリューションの処理に大きく基づいていましたが、アナログブロックの開発には、通常使用されるものとは根本的に異なる他の回路ソリューションが必要です。 しきい値以下の電力レベルで回路を開発する場合、すべての場合に適した一般的なアプローチはありません。 場合によっては、トランジスタのサブスレッショルドモードで回路を実装することができず、通常の電源で通常モードでトランジスタを使用する必要があり、そのような回路を少量使用しても全体の消費に大きな影響はありません。 これの良い例は、デバイスがオフになっている間、設定とキャリブレーション係数を保存する不揮発性メモリです。 電源がオンになると、回路は電力がしきい値を超えるモードで動作を開始します。 セットアップが完了し、キャリブレーション係数がセットアップレジスタに転送されると、電力はサブスレッショルドレベルに低下し、不揮発性メモリは使用されなくなります。 性能の向上が必要で、サブスレッショルド電圧が必要な速度を提供するのに十分ではない場合、電圧をスレッシュホールドレベル以上に上げることができます。 明らかに、この場合、消費が増加しています。 また、回路を安定して動作させるには、温度などの外部要因を動的に監視し、それに応じてサブスレッショルド回路の動作モードを再構築して、高品質の動作を確保する必要があります。
サブスレッショルドモードで動作する技術は、結晶を製造するための標準プロセスのフレームワーク内で操作性を確保するという事実に多くの努力が費やされました。 結晶を製造するための特別なプロセスは、生活を楽にすることができますが、製造コストを大幅に増加させました。 Ambiqテクノロジーは、すでによく知られ、テストされており、広く使用されているプロセスで機能します。
開発プロセスは、サブスレッショルドモードでの特別な労働条件を特徴とする特別なライブラリに基づいています。 このプロセスは、28 nmプロセス用の回路を開発するときに発生するタスクをほぼ繰り返します。 Ambiqは、シンプルで手頃な価格のテクノロジーでも同じことを行い、消費を大幅に削減しました。
回路のテストの問題に多くの注意が払われました。 従来の測定機器では、チップの消費量を正確に測定できないためです。 環境条件のより多くの組み合わせで超小型回路を測定する必要があるため、超小型回路のスクリーニング試験も、従来の超小型回路の通常よりも徹底的に行う必要があります。
一般に、サブスレッショルドモードでの回路の動作性を確保し、消費電流を削減するために、マイクロ回路の開発のすべての段階が再考され、変更されました。 新しいテクノロジーのスキームを開発するには、長期間機能することを確認する必要があります。 ハードウェア開発者にとって、超小型回路の信頼性は消費と同様に重要なパラメーターです。 そのため、Ambiqの超小型回路は、極端な環境条件を含む一連の信頼性テストを受けました。 静電気に対する耐性など、他の標準テストを含みます。 すべてのテストは、超小型回路に必要な信頼性があることを証明しました。
おわりに
現在、Ambiqは、消費電力が55 nA以下のリアルタイムクロックチップのシリーズをすでにリリースしています。 そして彼は、30μA/ MHzの非常に低いレベルの消費でApolloシリーズマイクロコントローラーの生産を開始する予定です。
Apolloマイクロコントローラーの主な特徴：
- 非常に低いアクティブ消費電力30μA/ MHz
- スリープモードでの超低消費電力100 nA（RTCオン）
- 高性能ARM Cortex-M4Fコア
- 最大24 MHzのクロック周波数
- 最大512 KBフラッシュのプログラムメモリ
- 最大64 Kバイトのデータメモリ
- ADC 10ビット、最大1 MSa / sの速度で13チャネル
- 標準周辺機器キットI2C、SPI、UART
- 1.8V〜3.8Vの供給電圧
- コンパクトな64ピンBGAおよび42ピンCSPエンクロージャー
Apolloマイクロコントローラーと他のマイクロコントローラーの比較：
比較はCoremarkテストで実行されました。
材料によると：