Rekord-Wert bei ULPBench Neuer Maßstab für Ultra-Low-Power

Das Startup Ambiq Micro aus dem texanischen Austin hat die Massenfertigung seiner Apollo-Ultra-Low-Power-Mikrocontroller begonnen. Beim EEMBC-Benchmark ULPBench wurde das Ergebnis des bislang energie-effizientesten Wettbewerbers mehr als verdoppelt. Wie ist das möglich?

Mit Transistoren im Sub-Threshold-Betrieb steigt keine der Spannungen im Chip über die Schwellenspannung (Uth), was die Energie-Aufnahme drastisch reduziert. An dieser an sich nicht neuen Technik versuchten sich in der Vergangenheit schon viele Hersteller, unter anderem Texas Instruments’ MSP430-Gruppe, die jedoch auch bald aufgab, weil natürliche Variationen im Fertigungsprozess eine Massenproduktion die wirtschaftlich vertretbaren Chip-Ausbeuten verhinderten.

Ambiq Micro lässt seine MCUs bei TSMC in Taiwan in einem 90-nm-ULP-Prozess fertigen. Wie es die ehemaligen Studenten um Firmengründer und CTO Dr. Scott Hansen geschafft haben, dieses Fertigungsproblem in den Griff zu bekommen, wollen sie natürlich nicht verraten. Fest steht, dass die Apollo-MCU den ersten großen Design-Win bei dem Fitnessarmband-Hersteller Misfit für dessen Produkt »Shine 2« gelandet hat, das mit einer Batterieladung sechs Monate betrieben werden können soll.

Bei einer Live-Demonstration am Rande von ARMs TechCon-Konferenz 2015 in Santa Clara, Kalifornien, wurde bei EEMBCs Ultra-Low-Power-Benchmark ein ULPBench-Wert von 364 erzielt, EEMBC konnte in mit unterschiedlichen Boards sogar einen Wert von 377 zertifizieren – mehr als doppelt soviel, wie der bisherige zertifizierte ULPBench-Champion Atmel mit seiner MCU SAML21 erreichte [1].

Neben Wearable-Elektronik zielt Ambiq Micro natürlich auf drahtlose Sensorknoten im IoT-Umfeld, tragbare Medizinelektronik und Smart-Watches. Die auf ARMs Cortex-M4 basierende MCU wird mit 64 KB Ultra-Low-Leakage-SRAM und bis zu 512 KB Flash-Speicher ausgerüstet. Die CPU wird mit maximal 24 MHz getaktet, im aktiven Modus werden 34 µA/MHz aufgenommen, im Sleep-Mode mit temperaturkompensierter Echtzeituhr 100 nA. Der Wake-Up-Interrupt-Controller unterstützt bis zu 12 Interrupts.

An Peripherie stehen ein 10-bit-A/D-Wandler mit 13 Kanälen und einer Abtastrate von 1 MS/s, ein I2C/SPI-Master für die Anbindung von Sensoren und Funkmodulen, ein I2C/SPI-Slave für die Kommunikation mit einem Host-Prozessor und ein UART zur Verfügung (Bild 1). Daneben gibt es zwei RC-Oszillatoren für unterschiedliche Frequenzbereiche.

Das Erstaunliche für einen Chip mit Sub-Threshold-Transistoren ist der Temperaturbereich von –40 bis +85 °C, die externe Versorgungsspannung kann zwischen 1,8 und 3,8 V liegen. Als Gehäuseoptionen werden zum Start 2,4 mm × 2,7 mm CSP mit 42 Pins und 27 GPIOs sowie 4,5 mm × 4.5 mm BGA mit 64 Pins und 50 GPIOs angeboten. Die Preise sollen bei jeweils 1,50 US-Dollar für Mengen von 10K+ liegen.

Auf den Spuren der Sub-Threshold-Technologie

Ambiq Micro ging als Start-up aus der University Michigan (www.umich.edu) hervor und setzt die Forschungsergebnisse seiner Gründer für die Realisierung eines SoC mit ARM-Prozessor ein, das sich durch einen besonders geringen Strombedarf auszeichnet. Eine niedrige Stromaufnahme hat die Rechenleistung als wichtigsten Parameter bei vielen Anwendungen abgelöst. Rechenleistung ist wichtig, aber sie muss heute mit der Energiekapazität von Batterien und der minimalen Leistungsabgabe von Energy Harvestern einhergehen. Der Ansatz von Ambiq Micro geht über schrittweise Verbesserungen anderer Halbleiterhersteller hinaus und stellt einen revolutionären Fortschritt durch eine einzigartige Herangehensweise an dieses Problem dar: Sub-Threshold-Schaltkreis-Design.

Energie wird auf zwei grundlegende Arten umgesetzt: als Leckstrom, wenn sich der Zustand eines Schaltkreises ändert, und dynamisch im Betrieb der Transistoren. In real betriebenen Schaltkreisen dominiert die dynamische Leistungsaufnahme. Dies gilt vor allem bei hohen Versorgungsspannungen, wie sie heutzutage in den meisten Designs anzutreffen sind (Bild 2).

Da sich die dynamische Leistung quadratisch zur Betriebsspannung verhält, ist diese Spannung entscheidend für die Verringerung der dynamischen Energieaufnahme (wobei auch ein erkennbarer, aber weniger dramatischer Einfluss auf den Leckstrom zu verzeichnen ist). Im Vergleich zu einem typischen Schaltkreis, der mit 1,8 V betrieben wird, 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. Herkömmliche digitale Schaltkreise verwenden die Transistorzustände »Ein« (logische 1) oder »Aus« (logische 0) zur Implementierung von Logik. Analogdesigns nehmen ebenfalls an, dass sich ein Transistor im »Ein«-Zustand befindet, damit eine Verstärkung erfolgen kann. Im Sub-Threshold-Betrieb steigt allerdings keine der Spannungen im Chip über die Schwellenspannung (Uth), sodass sich der Transistor nie einschaltet. Selbst eine logische »hohe« Spannung belässt den Transistor im »Aus«-Zustand. Damit ist ein völlig neuer Designansatz erforderlich.

Sub-Threshold hat sich bereits vor Jahrzehnten bewährt

Sub-Threshold-Design ist kein neues Konzept. Bereits in den 1970er Jahren haben Schweizer Uhrmacher die Möglichkeiten entdeckt, ausgewählte Transistoren im Sub-Threshold-Bereich zu betreiben. Die Idee wurde in Herzschrittmachern und bei RFID Tags umgesetzt; die weitere Verbreitung in andere Märkte blieb aber aus.

Nach einer Pause von mehreren Jahrzehnten gewann das Thema Ende der 1990er Jahre und Anfang der 2000er Jahre zunehmend an akademischem Interesse. Zu dieser Zeit wurde das Thema »Energieeinsparung« immer wichtiger, und die Forschung konzentrierte sich auf stromsparende Schaltkreis-Designs. Darunter fanden sich auch Sub-Threshold-Design-Techniken. Die Gründer von Ambiq Micro waren Teil dieser akademischen Wiederbelebung und arbeiteten an der University of Michigan, um die Technologie gründlich zu erforschen und weiter zu entwickeln. Diese Anstrengungen wurden in einem Spin-off ausgegliedert und vermarktet. Ambiq ist das einzige Unternehmen, das Sub-Threshold-Design als primären Ansatz zur Energieeinsparung nutzt.

Dabei stellt sich die Frage, warum eine Technologie, die in den 70er Jahren entwickelt wurde, nie weiterverfolgt wurde. Lag es an einem unentdeckten Fehler, der Sub-Threshold nicht zu einem Mainstream-Phänomen machte? Wenn ein Sub-Threshold-Transistor-Design solch radikale Verbesserungen bietet, warum wurde es dann nicht schon früher eingeführt?

Die Antwort auf diese Fragen lautet: Weil die Technologie nicht so einfach ist. Es gibt keine unentdeckten Fehler, aber der Übergang von Super-Threshold-Techniken ist nicht trivial. Ambiqs Gründerteam begann mit seiner Arbeit 2004 in Michigan und arbeitete bis zum Jahr 2010, um die Technologie auf breiter wirtschaftlicher Basis verfügbar zu machen.

Was hat sich also seit den 70er Jahren verändert, als die ersten kommerziellen Sub-Threshold-basierten Produkte entwickelt wurden? Der Unterschied ist der Maßstab: Früher verwendeten Designs nur wenige kritische Sub-Threshold-Transistoren, z.B. im niedrigen zweistelligen Bereich. Auf dieser Ebene konnte jeder Transistor noch per Hand optimiert werden. Heute jedoch entwickelt Ambiq ganze Chips, die vornehmlich mit Sub-Threshold-Transistoren ausgestattet sind. Eine manuelle Optimierung ist hier unmöglich. Das Design von Millionen Transistoren ist nur durch Standard-Design-Tools und Flows möglich – vorzugsweise mit jenen, die auch für das Super-Threshold-Design verwendet werden. Genau hier konzentriert sich die Arbeit von Ambiq, um Sub-Threshold-Schaltkreise wirtschaftlich zu machen.

Modernes Sub-Threshold-Design

Die Anpassung des Standard-Super-Threshold-Flow und der Infrastruktur an Sub-Threshold-Designs bringt einige Herausforderungen mit sich. Das Transistormodell bildet die Grundlage eines integrierten Schaltkreises. Alle Simulationen, Abstraktionen, die Automatisierung und die Design Closure beruhen auf einem genauen Transistormodell. Die meisten Transistormodelle konzentrieren sich auf die Durchlass-Charakteristik (Ein), ohne dem Aus-Zustand viel Bedeutung zukommen zu lassen. Der gesamte Bereich zwischen 0 V und Uth wird nicht genau genug modelliert, sodass bestehende Modelle für das Sub-Threshold-Design unzureichend sind (Bild 3).

Das Ausgangsverhalten eines Transistors im Sub-Threshold-Bereich ist schwierig einzuordnen. Ein zuverlässiges Erkennen des Zustands erfordert eine hohe Empfindlichkeit. Bei Spannungsänderungen ändern sich die Ströme exponentiell – es handelt sich dabei aber um äußerst kleine Ströme. Das Verhältnis von »Ein«- (logische 1) und »Aus«-Strom (logische 0) in Sub-Threshold-Transistoren ist um das 1000-fache geringer als bei Super-Threshold-Designs (Bild 4). Das Erkennen von Logikpegeländerungen wird sogar noch erschwert, wenn Störungen (Rauschen) von externen Quellen mit einfließen.

Problematisch sind weiterhin Fertigungs- und Betriebsabweichungen. Sub-Threshold-Designs sind wesentlich empfindlicher bezüglich Prozess- und Umgebungsabweichungen als Super-Threshold Designs. 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. Temperaturänderungen sind ein Beispiel, wie Umgebungsbedingungen eine Herausforderung für Entwickler darstellen können. Uth hängt von der Temperatur ab, und Iein hängt exponentiell von Uth ab (Bild 5).

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. Somit ist mehr Aufwand erforderlich, um sicherzustellen, dass das gesamte Design unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig arbeitet Der Großteil des Fertigungsprozesses ist eher für Super-Threshold-Designs anstatt für Sub-Threshold-Designs ausgelegt. Dies zeigt sich vor allem bei den Testeinrichtungen, die eine Validierung während der Halbleiterfertigung durchführen. Die verfügbaren PMUs (Parametric Measurement Units), die Spannungen und Ströme testen, sind für die Messung von µA und nicht von nA oder pA ausgelegt. Selbst die sonst so einfache Bauteilcharakterisierung muss überdacht werden, da die Sub-Threshold-Schaltkreise wesentlich empfindlicher sind als Super-Threshold-Schaltkreise. Die Charakterisierung fällt dann nicht gründlich genug aus, um zu beweisen, dass die Schaltkreise unter allen denkbaren Bedingungen einwandfrei funktionieren. Diese Herausforderungen und weil nur wenige Entwickler mit dem Umgang von Sub-Threshold-Schaltkreisen erfahren genug sind, erklärt die schwierige Vermarktung dieser Schaltkreistechnik.

Ambiq Micros Lösung

Die Entwicklung von Ambiqs SPOT-Plattform, die alle diese Anforderungen abdeckt, hat sich über mehrere Jahre erstreckt. Verschiedene Lösungen wurden erprobt. Am Anfang stand ein besseres Verständnis über die Transistoren selbst.

Ambiq hat ausgewählte Transistoren aus Mainstream-Prozessen für den Sub-Threshold-Bereich neu charakterisiert. Die Anstrengungen konzentrierten sich auf stromsparende Transistoren mit dem Ziel, diese Schaltkreise in Standardprozessen zu fertigen, um die Kosten niedrig zu halten. Die Umklassifizierung erforderte die Entwicklung zahlreicher Bausteine, um die Auswirkungen der Variationen zu erfassen und die Prozess- und Umgebungsbedingungen besser zu verstehen. Gleichzeitig musste auch noch das Design robuster Schaltkreise gewährleistet werden.

Mit einem besseren Verständnis der Transistoren konnten die Zellen und Schaltkreise so verändert werden, dass sie mit Sub-Threshold-Spannungen arbeiten. Zuvor musste die Zellenbibliothek sorgfältig abgewogen und verkleinert werden. Kommerzielle Bibliotheken werden einer Zellenproliferation unterzogen, da Varianten von Standardschaltkreisen für unterschiedliche Begebenheiten entworfen werden. Der erste Schritt war also, die Zellen aus der Bibliothek zu wählen, die für einen Sub-Threshold-Betrieb angepasst werden sollen. Nachdem alle entsprechenden Zellen identifiziert waren, wurden sie als Sub-Threshold-Schaltkreise neu entworfen.

Mit diesem neuen Schaltkreisdesign wurden zwei Ziele verfolgt: einmal die Handhabung der hohen Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Schwellenspannung und des Betriebszustands und zum anderen die Optimierung des Betriebs für minimale Stromaufnahme. Für beide Fälle lassen sich verschiedene Techniken anwenden, die alle wichtige Bestandteile der SPOT-Plattform sind.

Analog-Schaltkreise erforderten jedoch Mehrarbeit in Form eines Neudesigns. Während bestehende Super-Threshold-Digitalzellen für den Sub-Threshold-Einsatz modifiziert werden können, ist dies bei analogen Schaltkreisen nicht der Fall. Ein hoher Entwicklungsaufwand war erforderlich, um das Analog-Design nach korrekter Funktion und Leistungsfähigkeit zu verifizieren. Die daraus resultierenden Schaltkreise weichen erheblich von den Super-Threshold-Versionen ab. Keiner der Ansätze reicht alleine aus und eignet sich für alle Anwendungsfälle. Ambiqs Schaltkreise vereinen verschiedene Techniken und wenden diese in verschiedenen Teilen des integrierten Schaltkreises an.

Die Notwendigkeit verschiedener Techniken bezieht sich auf die Art des Transistors und den Bereich, in dem er betrieben wird. In einigen Fällen können sich Super-Threshold-Transistoren als sinnvoll erweisen. Da sie einfacher aufgebaut sind, macht deren Einsatz dann Sinn, wenn der Energieumsatz nicht beeinflusst wird. Ein Beispiel dafür ist nichtflüchtiger Speicher (NVM), der Einstellungen oder Kalibrierungsdaten speichert, auch wenn das Gerät abgeschaltet ist. Beim Einschalten werden diese Werte in aktive Register geladen. Diese Register können Sub-Threshold-Transistoren verwenden, während der NVM und die Transferschaltkreise mit Standard-Super-Threshold-Transistoren ausgestattet sind, da sie nur beim Einschalten in Betrieb sind und danach abgeschaltet werden.

Ambiqs allgemeines Vorgehen ist, mit den Sub-Threshold-Transistoren als Standard-Ansatz zu beginnen, um dann zu prüfen, ob bestimmte Bereiche des Schaltkreises auf Super-Threshold-Ebene betrieben werden können, ohne dabei den Energieumsatz zu erhöhen. Super-Threshold-Design ist wesentlich einfacher und daher zu bevorzugen – solange es die Stromaufnahme erlaubt.

Es gibt auch jene Situationen, in denen wichtige Sub-Threshold-Schaltkreise ihre erforderliche Rechenleistung nicht erzielen. In solchen Fällen lässt sich die Betriebsspannung für diesen Bereich bis nahe an den Schwellenwert erhöhen. Bis jetzt mussten keine Schaltkreise auf Super-Threshold-Ebene geändert werden, um die erforderliche Rechenleistung zu erzielen. Die Gesamtstrategie ist demnach, Sub-Threshold-Schaltkreise von Grund auf zu verwenden und Super-Threshold nur in den wenigen Fällen einzusetzen, wo es möglich ist, und Near-Threshold in den wenigen Fällen einzusetzen, wo es bezüglich Geschwindigkeit oder Bandbreite erforderlich ist.

Große Anstrengungen wurden getätigt, damit Ambiqs Sub-Threshold-Schaltkreise, wann immer möglich, bestehende Design Flows verwenden können. Der Design Flow wird durch die Anzahl kundenspezifischer Zellenbibliotheken und die hohe Anzahl zu verifizierender Elemente beeinflusst. Verschiedene Designtechniken handhaben dabei die Schaltkreisempfindlichkeiten. Diese Herausforderungen beim Design Flow treten im Super-Threshold-Bereich bei 28-nm-Prozessknoten auf. Also gibt es bereits Lösungen dafür. Ambiq hat diese Lösungen nun für weitere Prozessknoten ausgebaut. Die SPOT-Plattform kann auch auf kleinere Prozessgeometrien skaliert werden, um noch mehr Energieeinsparung zu erzielen, da diese Fertigungsgeometrien immer häufiger verwendet werden.

Testanforderungen wie die Messung kleiner Ströme wurden mit komplexen, kundenspezifischen Testsystemen und On-Chip-Testschaltkreisen erfüllt. Diese Systeme enthalten spezielle Strommesskreise, die solche Messungen durchführen, welche der IC-Tester selbst nicht handhaben kann. Der Ablauf für die Charakterisierung wurde ebenfalls geändert: durch gründlichere und detaillierte Messungen unter wesentlich mehr Bedingungen als beim herkömmlichen Super-Threshold-Design. Generell wurde jeder Entwicklungs- und Fertigungsschritt genau untersucht. Wo Elemente des Standard-Flow nicht funktionieren, hat Ambiq diese modifiziert, um sicherzustellen, dass sich das Endprodukt nicht von Bauteilen, die in Super-Threshold-Technik gefertigt wurden, unterscheidet – außer durch die geringere Stromaufnahme.

Wie erreicht man hohe Zuverlässigkeit?

Neue Schaltkreise zu entwickeln bedeutet nicht nur, etwas zu schaffen, das kurzfristig betrieben wird. Es muss sichergestellt sein, dass die Schaltkreise über die gesamte Lebensdauer des Bausteins hinweg korrekt funktionieren. Für einen Systementwickler sind die Erwartungen und Anforderungen an die Zuverlässigkeit stets die gleichen – unabhängig von der zugrundeliegenden Schaltkreistechnik.

Sub-Threshold-Schaltkreise auf Basis der SPOT-Plattform haben deshalb die üblichen Zuverlässigkeitstests durchlaufen. Mehrere Lose werden über längere Zeit extremen Bedingungen ausgesetzt, und weitere Standardtests wie ESD-Tests (elektro-statische Entladung) wurden durchgeführt. Die Schaltkreise haben sich als robust erwiesen, und Zuverlässigkeitsberichte mit allen Testergebnissen stehen zur Verfügung.

Robust und zuverlässig

In der Theorie stehen damit Schaltkreise zur Verfügung, die die gleichen Funktionen wie herkömmliche Schaltkreise bieten – aber nur mit einem Bruchteil der Stromaufnahme. Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, Robustheit oder Zuverlässigkeit müssen in der Theorie ebenfalls keine Kompromisse eingegangen werden – Ambiqs Chips können neben ihren herkömmlichen Pendants ohne äußerlich sichtbare Unterschiede betrieben werden.

Die große Frage, wie sich die Fertigungstoleranzen in der Massenfertigung auswirken und welche Chip-Ausbeute zu realisieren ist, um das Produkt wirtschaftlich erfolgreich verkaufen zu können, scheint das Startup mit der Aufnahme der Massenfertigung gelöst zu haben. Alles Weitere wird wie immer der Markt entscheiden.