Halbleiterfertigung Strom sparen durch Sub-Threshold-Design

Mit den 32-Bit Apollo-MCUs auf ARM Cortex-M4F Basis will Ambiq Micro den Begriff "Low Power" neu definieren. Das spezielle Transistordesign sorgt für eine wesentlich längere Batterielebensdauer.

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Es gibt viele Faktoren, die das Interesse an stromsparenden Halbleiterlösungen erhöhen. Batteriebetriebene Geräte und Systeme im Internet der Dinge (IoT; Internet of Things) müssen eine lange Lebensdauer garantieren, um im Consumermarkt, auf den sie abzielen, von Nutzen zu sein. Energy-Harvesting-Module stellen als alternative Energiequelle entweder geringe Energiemengen oder kurzzeitige Energiestöße bereit. Energieeffizientes Design scheint heute wichtiger als der Trend zu mehr Leistungsfähigkeit, wie er in den 1990er Jahren zu beobachten war. Welche Möglichkeiten stehen also zur Verfügung, wenn der Energieverbrauch verringert werden soll?

In einem CMOS-Schaltkreis wird Energie auf zwei verschiedene Arten verbraucht: als Leckstrom oder als statischer Energieverlust (wenn sich der Schaltkreiszustand nicht ändert), und als dynamischer Energieverbrauch – wenn die internen Knoten geladen oder entladen werden. Da sich die dynamische Leistung zum Quadrat der Betriebsspannung ändert, ist diese Spannung entscheidend für die Verringerung des Energieverbrauchs, zumal dies der dominierende Betriebszustand eines CMOS-Bausteins ist. Betrachtet man handelsübliche Halbleiterbausteine wie Mikrocontroller (MCUs), lässt sich durch entsprechende Designentscheidungen ein optimaler Stromverbrauch erzielen.

Nach der Spannungsreduzierung ist das Absenken der Taktfrequenz die zweite Methode, den Stromverbrauch zu verringern. Beide Maßnahmen hängen aber stark von anderen Bauteilen ab, mit denen die MCU in größeren Schaltkreisen verbunden ist. Um den Gesamtenergieverbrauch zu senken, wenden die meisten MCU-Anbieter verschiedene Schalttechniken an, um ungenutzte oder wenige genutzte Module abzuschalten, in den Sleep-Modus zu versetzen oder mit einer niedrigen Frequenz zu takten.

Allerdings lässt sich diese Zwischenlösung auf Blockebene nur bis zu einem bestimmten Punkt anwenden. Darüber hinaus muss ein genauer Blick auf die Transistoren geworfen werden. Ambiq Micro bietet hier wesentliche Fortschritte im Sub-Threshold-Schaltkreisdesign – was einen Betrieb der Transistoren an und unterhalb seiner Schwellenspannung (Uth) umfasst.

0,5 V Sub-Threshold-Spannung

Die Energieeinsparung spricht dabei für sich selbst. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Schaltkreis mit 1,8 V Betriebsspannung, erzielt ein Schaltkreis bei einer „Near-Threshold“-Spannung von 0,5 V eine bis zu 13-mal geringere dynamische Leistungsaufnahme. Mit einer noch niedrigeren Sub-Threshold-Spannung kann der gleiche Schaltkreis bei 0,3 V eine 36-fache Verbesserung erzielen. Verluste durch Leckströme haben ebenfalls erheblichen Einfluss auf den Gesamtenergieverbrauch, während Änderungen der Versorgungsspannung sich nicht so dramatisch auswirken. Im Jahr 2004 nahm sich Ambiq Micro dieser Herausforderung an und begann mit der Forschung rund um das Thema Sub-Threshold-Design an der University of Michigan.

Der Betrieb von Transistoren unterhalb ihrer Schwellenspannung ist keine neue Technik. Schweizer Uhrmacher und Hersteller von RFID-Tags nutzen diese Technik bereits seit den 1970er Jahren. Die Herausforderung, die eine weitere Verbreitung zurückhielt, war die manuelle Optimierung der wenigen entscheidenden Transistoren, die für einen geringen Stromverbrauch im Design sorgen. Sub-Threshold-Design in größeren Designs war daher auf eine zweistellige Zahl von Transistoren beschränkt. Ohne Bibliotheken mit funktionalen Zellen, die auf dieser Technologie basierten und für kommerzielle Fertigungsprozesse optimiert waren, und die Implementierung dieser Bibliotheken in handelsübliche Design-Tools, konnten Sub-Threshold-Transistor-basierte Designs nie richtig Fuß fassen.

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. In einigen Fällen, wie z.B. bei nicht-flüchtigen Speicherblöcken (NVM; Non-Volatile Memory), ergaben sich nur geringe oder keine Verbesserungen beim Einsatz von Sub-Threshold-Transistoren.

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