Strom sparen durch Sub-Threshold-Design

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Ambiq Micro

Wenn ein Sub-Threshold-Transistordesign solch radikale Verbesserungen bietet, warum wurde es dann nicht schon früher eingeführt? Die Herausforderungen sind sehr groß, wenn Transistoren auf diese Weise betrieben werden sollen. Der Hauptgrund ist allerdings, dass bis jetzt niemand die gewaltige Aufgabe in Angriff genommen hat, eine Charakterisierung durchzuführen, um diese Technik nutzbar zu machen. Die Schwerpunkte bei dieser Forschungsarbeit gliederten sich wie folgt:

• Schlechte Transistormodelle – da Transistoren in erster Linie über der Schwellenspannung (Super-Threshold) betrieben werden, sind die Transistormodelle für diesen Betriebsbereich sehr genau. Die Sub- und Near-Threshold-Performance wurde jedoch nie mit der gleichen Genauigkeit charakterisiert. Daher wurde viel Forschungsarbeit zur Ermittlung der genauen Leistungsfähigkeit in diesem entscheidenden Bereich von 0 V bis Uth investiert.

• Logikpegeländerung und Rauschen – das Ausgangsverhalten eines Transistors im Sub-Threshold-Bereich ist sehr heikel, und ein zuverlässiges Erkennen des Zustands erfordert eine hohe Empfindlichkeit. Im Vergleich zu Super-Threshold-Transistoren ist das Verhältnis von „Ein“- (logische 1) zu „Aus“-Strom (logische 0) in Sub-Threshold-Transistoren um das 1000-fache geringer, was eine hohe Herausforderung darstellt (Bild 2). Das Erkennen von Logikpegeländerungen wird sogar noch erschwert, wenn Störungen (Rauschen) von externen Quellen mit einfließen.

• Fertigungs- und Betriebsabweichungen – in der Halbleiterfertigung werden Rand-Losgrößen meist zur Bestimmung von Prozessabweichungen verwendet, um Toleranzen zu Chips festzustellen, die im Hauptprozess gefertigt werden. Bei Chips aus langsamen Prozessen kann der Strom bis zu 100-mal niedriger sein als bei Chips aus dem Hauptprozess. In einem Sub-Threshold-Design sorgt dies für einen beträchtlichen Anteil des Ein-/Aus-Stromverhältnisses. Hinzu kommt, dass Betriebsbedingungen wie die Temperatur, ebenfalls große Auswirkung auf den Strom im Sub-Threshold-Betrieb haben. So ist der „Aus“-Strom bei erhöhter Temperatur ähnlich dem „Ein“-Strom bei niedrigen Temperaturen. Das Erkennen des Transistorzustands in einem nicht kompensierten Schaltkreis wird damit zu einer Herausforderung (Bild 3). Somit ist mehr Designaufwand erforderlich, um sicherzustellen, dass das gesamte Design unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig arbeitet.

• Charakterisierung und Test – da herkömmliche Prozesse für die Fertigung und das Testen von Super-Threshold-ICs ausgelegt sind, musste für die erste Charakterisierung und das anschließende Testen von Sub-Threshold-Bausteinen ein neuer Ansatz während der Herstellung gefunden werden. Die bis dahin verfügbaren PMUs (Parametric Measurement Units) waren für die Messung von µA und nicht von nA oder pA ausgelegt.

Mit einem besseren Verständnis der Betriebsbedingungen im Sub-Threshold-Modus führte Ambiq Micro ein Neudesign der dafür vorgesehenen Zellen und Schaltkreise durch. Der erste Schritt war, die Zellen auf ein Minimum zu beschränken, um festzustellen, wo Sub-Threshold-Transistoren den größten Einfluss auf einen verringerten Stromverbrauch haben. Die Zellen wurden dann neu entwickelt, wobei die hohe Empfindlichkeit bei der Änderung der Schwellenspannung und der Betriebsbedingungen berücksichtigt werden musste.

Größter Einfluss auf verringerten Stromverbrauch

In einigen Fällen, wie z.B. bei nicht-flüchtigen Speicherblöcken (NVM), ergaben sich nur geringe oder keine Verbesserungen beim Einsatz von Sub-Threshold-Transistoren. Ein NVM dient zum Speichern von Parametern, die in ein Register geladen werden, das Sub-Threshold-Transistoren verwendet. Da dieser Speicher beim Einschalten des Bausteins betrieben wird, kann der NVM und der zugehörige Datenübertragungsschaltkreis in Standard-Super-Threshold-Technologie implementiert werden, die dann nach Ende des NVM-Einsatzes abgeschaltet wird. Damit wählt Ambiq Micro Sub-Threshold-Transistoren nur für die Zellen aus, für die eine Stromeinsparung auch Sinn macht.

Bestehende Super-Threshold-Digitalzellen in Sub-Threshold-Technologie umzuwandeln war relativ einfach. Analog-Schaltkreise erforderten jedoch ein Neudesign. Die daraus resultierenden Schaltkreise weichen erheblich von den Super-Threshold-Versionen ab und ein hoher Entwicklungsaufwand war erforderlich, um das Design nach korrekter Funktion und Leistungsfähigkeit entsprechend der Spezifikationen zu verifizieren.

Das Ergebnis dieser intensiven Forschung, Tests und Entwicklungsaktivitäten führte zur SPOT-Plattform (Sub-Threshold Power Optimized Technology). Normalerweise erfordern solche radikalen Performance-Verbesserungen kundenspezifische Prozesse mit besonderen Prozesstechniken, aber mit SPOT lag der Schwerpunkt auf einer Designbibliothek, die gut mit bekannten Prozessen harmoniert. SPOT nutzt Prozesstechniken mit kleinen Geometrien, die bei einem großflächigen Einsatz zu weiteren Energieeinsparungen führen.

Die Testherausforderungen wurden mit einem 2-Säulen-Konzept in Angriff genommen. Zum einen wurden kundenspezifische Probe-Karten entwickelt, um Messungen zu unterstützen, die der Tester nicht selbst durchführen kann. Zum anderen wurden On-Chip-Testschaltkreise integriert, um die verbleibenden Testanforderungen zu erfüllen. Der Ablauf für die Charakterisierung wurde ebenfalls geändert: durch gründlichere und detaillierte Messungen unter wesentlich mehr Bedingungen als beim herkömmlichen Super-Threshold-Design. Dies erhöht das Vertrauen in das Design und die Robustheit des fertigen Produkts. Hinzu kommt, dass Ambiqs Sub-Threshold-Schaltkreise die gleichen Zuverlässigkeitstests durchlaufen wie Standard-Halbleiterbausteine. Mehrere Lose werden über längere Zeit extremen Bedingungen ausgesetzt, und weitere Standardtests wie z.B. ESD-Tests (elektrostatische Entladung) wurden durchgeführt.

Stromsparender 32-Bit-ARM-basierter Mikrocontroller

Dieser Ansatz garantiert, dass Ambiq Micros Produkte nicht von herkömmlichen Super-Threshold-Techniken zu unterscheiden sind – außer durch ihren geringen Stromverbrauch. Zu den ersten Produkten zählen die RTC-Bausteine (Real-Time Clock) der AM08xx-Serie und der AM18xx, der zusätzlich Erdströme auf einem Host-Mikrocontroller sperrt. Beide Serien überwachen den Hauptstromverbrauch und können auf Backup-Stromaufnahme umschalten, wobei wichtige Parameter im 256-Byte-RAM mit niedrigem Leckstrom gespeichert werden.

Bei 3 V Betriebsspannung und 25 °C verbrauchen beide Bausteine nur 14 nA Strom, wenn der Betrieb über den integrierten, verbrauchsoptimierten RC-Oszillator erfolgt. In Planung ist der branchenweit stromsparendste 32-Bit-ARM-basierte Mikrocontroller, der Ambiq Micros SPOT-Technologie in einem Mainstream-Produkt eindrucksvoll demonstrieren wird. Batteriebetriebene Produkte und Systeme im Internet der Dinge werden so mit einer wesentlich längeren Betriebslebensdauer ausgestattet.

* Mike Salas ist Vice President of Marketing bei Ambiq Micro.

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