Prozesstechnologie Low-Power-MCUs brauchen mehr als Moore

Es wird viel über die Verlangsamung des wichtigsten Treibers in der Halbleiterindustrie gesprochen: Moores Law. Trotzdem zeigen neueste Ankündigungen von TSMC, der weltweit größten Halbleiter-Foundry, dass weitere Fortschritte in der Prozesstechnik möglich sind. Damit lassen sich stromsparende Prozessoren für zukünftige Anwendungen entwickeln.

Auf den jüngsten TSMC-Technologie-Symposien 2015 in den USA hat das Unternehmen seinen 16nm FinFET C (16FFC) Prozess vorgestellt – eine »kompakte« Technologie, die nicht nur Vorteile bei der Leistungsfähigkeit und dem Flächenbedarf, sondern auch beim Stromverbrauch mit sich bringt. Der Prozess eignet sich für Ultra-Low-Power IoT-Anwendungen wie Wearables, Mobil- und Consumergeräte. Bei der 28nm-Technologie sorgt der 28HPC-Prozess für einen 30 % geringeren Stromverbrauch im Vergleich zum Vorgängerprozess. Der fortschrittlichere 28HPC+-Prozess soll Leckströme sogar um 30-50 % mindern.

Laut den Analysten von IHS wächst der Markt für Wearables rasant. Die Umsätze erreichten im Jahr 2012 an die 8,5 Mrd. US-$ bei 96 Mio. ausgelieferten Geräten. Bis zum Jahr 2019 gehen die Analysten davon aus, dass an die 230 Mio. Geräte ausgeliefert werden und ein Umsatz von 32 Mrd. US-$ generiert wird. Diese Erwartungen bestätigt auch CC Wei, TSMC President und Co-CEO. Er geht davon aus, dass das IoT zum nächsten Wachstumstreiber für die Halbleiterindustrie wird. Laut Wei könnte ein durchschnittlicher Haushalt im Jahr 2020 über mehr als 500 intelligente Geräte (Smart Devices) verfügen, und der Halbleitermarkt für Medizintechnik soll im Jahr 2017 sogar einen Wert von 6,8 Mrd. Dollar erreichen.

In der Zwischenzeit bereitet TSMC seinen 10nm-Prozess für erste Tests gegen Ende dieses Jahres vor. Dr. BJ Woo, Vice President Business Development bei TSMC, behauptet, dass das Unternehmen damit Moores Law voraus ist. »Wir führen eine wesentlich schnellere Skalierung durch, als sie Moores Law für unsere 10-nm-Technologie vorgibt«, so Woo. Der Beweis ist eine SRAM-Zellengröße, die etwa 50 % kleiner ist als bei 16 nm, wobei bedeutende Abstände um mehr als 70 % skaliert wurden.

Dies folgt auf die Ankündigung im vergangenen September, dass eine umfassende Ultra-Low-Power-Technologie für das IoT die Akkulaufzeit um das 2- bis 10-fache erhöht. »Erstmalig in der Branche bieten wir eine umfassende Plattform, mit der sich die Anforderungen und Neuerungen im vielseitigen IoT-Markt erfüllen lassen, in dem höchste Energieeffizienz und allgegenwärtige Datenanbindung unentbehrlich sind«, so Dr. Mark Liu, TSMC President and Co-CEO. Mark Liu.

Können wir uns also auf die Halbleiterprozesstechnik verlassen, um die Innovation im IoT und bei Wearables voranzutreiben? Vielleicht mehr als mancher Beobachter vermutet hätte, aber nicht ausschließlich. Low-Power-Prozessoren wie ARMs Cortex-M-Serie sind ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Entwicklung – und wie wir bereits festgestellt haben, geht es bei der Wahl des richtigen Prozessors für ein IoT- oder Wearable-Design nicht unbedingt um die stromsparendste Option. Ein leistungsfähigerer Core wie der ARM Cortex-M4 kann effizienter sein und mehr Arbeit pro Taktzyklus erledigen und daher weniger Energie für eine bestimmte Aufgabe verbrauchen als weniger leistungsstarke Cores (wie der Cortex-M0), die einen geringeren momentanen Chip-Stromverbrauch aufweisen.

Natürlich sind nicht alle Cortex-M-Prozessoren gleich – ein energieeffizientes Mikrocontroller-Design wie die Apollo-Serie von Ambiq, die auf einer Sub-Threshold-Voltage-Technologie basiert und den leistungsfähigeren Cortex-M4F Core verwendet, kann im Vergleich zu anderen Prozessoren eine 5- bis 10-fach längere Akkulaufzeit ermöglichen und bewährte kostengünstige Prozesstechnik verwenden. Hinzu kommt, dass Ambiqs Cortex-M4F MCU zudem einen niedrigeren Momentan-Stromverbrauch als andere Cortex-M0-basierte Bausteine aufweist.

Unser Fazit:  Moores Law ist nicht tot – aber bei der Auswahl des richtigen Prozessors entscheiden wichtigere Merkmale als nur Moore.

Mike Salas ist Vice President Marketing & Strategy bei Ambiq Micro