ISSCC 2013 Renesas integriert Prozessor und Modem auf einem Chip

Nachdem der kalifornische Konkurrent Qualcomm mit seinen Snapdragon-Chips einen Design-Win nach dem anderen landet, hat jetzt nach Nvidia auch Renesas Mobile einen integrierten Chip für Handys präsentiert. Eine pfiffige Idee mit der Bezeichnung »Power Saver« soll für eine minimalistische Leistungsaufnahme sorgen.

Der RMU2 (R-Mobile U2) genannte Chip integriert einen Applikationsprozessor des Typs ARM Cortex-A9 in einer Dual-Core-Ausführung mit einem LTE-Modem Cat4, das auch die Standards GSM und WCDMA beherrscht und auf Basis eines mit 500 MHz getakteten ARM-Cortex-R4 aufbaut. Daneben gibt es noch einen Renesas SHX2 mit 416 MHz, der für die echtzeitrelevanten Aufgaben zuständig ist.

Entgegen der existierenden 2-Chip-Lösung, die noch in 45-nm-Strukturen gefertigt wurde, lässt man den RMU2 vermutlich in TSMCs 28-nm-HPM-Prozess fertigen, was einerseits zu einer Erhöhung der Taktfrequenz von 1,2 auf 1,5 GHz und andererseits zu einer reduzierten Leistungsaufnahme der CPU von 1120 mW bei 1,2 GHz zu nur noch 640 mW (auch bei 1,2 GHz gemessen) führt. Die Größe der zwei Dies von 101,7 mm2 wurde auf einen Die mit 49,2 mm2 reduziert, so dass sich der Chip in einem 12x12 mm großen POP Package unterbringen lässt.

Interessant ist Renesas Ansatz zum Energiesparen. Normalerweise kommt die dynamische Frequenzanpasssung (DFS) zum Einsatz, bei welcher in Abhängigkeit der Last, der oder die Cores im Abstand von 1 bis 100 ms mit einer entsprechenden Taktfrequenz versorgt werden. Zusätzlich hat Renesas noch einen Block entwickelt, der unter der Bezeichnung "Power-Saver" insbesondere zwei batteriefeindliche Szenarien detektiert und unterdrückt: Die Überschreitung einer definierten maximalen Leistungsaufnahme und der extrem schnelle Anstieg der Leistungsaufnahme.

Die Frequenzanpassungen können dabei in Zeitintervallen von 1 bis 10 µs geschehen. Die große Frage ist natürlich, wie will man den aktuellen Energiebedarf der CPU abschätzen. Hierfür hat sich Renesas etwas wirklich pfiffiges einfallen lassen: Man hat festgestellt, dass über einen nicht weiter ausgeführten Algorithmus eine Korrelation zwischen der Anzahl der RAM-Zugriffe pro Zeiteinheit und Leistungsaufnahme besteht. Das Power-Saver-Modul überwacht daher die RAM-Zugriffe auf die zuvor beschrieben Zustände: Überschreitet die Anzahl der RAM-Zugriffe pro Zeiteinheit einen definierten Schwellenwert, wird daraus eine unzulässige Leistungsaufnahme abgeleitet und die Taktfrequenz der Cores abgesenkt, bis der Schwellenwert wieder unterschritten wird. Im sogenannten Delta-Modus wird die Anstiegsrate der RAM-Zugriffe pro Zeiteinheit untersucht: Ist die Anstiegsrate zu hoch, wird die Taktfrequenz abgesenkt und nur schrittweise wieder auf den usprünglichen Wert angehoben.

Daneben hat Renesas aber auch auf konventionelle Energiespartechniken zurückgegriffen, so gibt es 33 Power-Domains, die hierachchisch angeordnet sind und extensives Power-Gating ermöglichen. Eine weitere Innovation ist die Absenkung der Versorgungsspannung des SRAMs im Energiesparmodus. Ein SRAM besteht ja bekanntlich aus dem eigentlichen Bit-Zellen-Array, das die Informationen hält, und den dazu gehörigen Pheripherie-Schaltkreisen. Letztere benötigen bei vollständigem Datenerhalt (Resume-Standby) eine höhere Versorgungsspannun g als die Bit-Zellen. Bei den meisten SRAMs ist jedoch weder die Absenkung der Versorgungsspannung der Pheripherie-Schaltkreise, noch das Abschalten deren Spannung im Low-Voltage-Energiesparmodus möglich. Bei dem von Renesas entwickelten SRAM ist jedoch genau dies möglich, was zu einer um 23 % verringerten Leistungsaufnahme führt.

Damit kommt der Chip auf eine Leistungsaufnahme von nur 0,2 mW im Standby-Modus.

Bilder: 9

Renesas RMU2 bringt Innovationen mit sich

Applikationsprozessoren mit Dual-Core-Cortex-A9 gibt es schon in Masse - daher hat sich Renesas einige Innovationen zum Energiesparen ausgedacht.