ISSCC 2011 Texas Instruments und MIT stellen Ultra-Low-Power-DSP für mobile Applikationen vor

Bei mobilen Geräten gibt es einerseits steigende Anforderungen an die DSP-Leistung und andererseits an längere Batterielaufzeit. TI und das Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben mit einem Ultra-Low-Power-DSP, der sich mit 0,6 V betreiben lässt, eine mögliche Lösung vorgestellt.

Der DSP stellt einen der ersten 28-nm-Chips für den Mobilmarkt dar, der sich mit 1,0 V und weniger betreiben lässt. In einem Ultra-Low-Power-Mode reichen 0,6 V Versorgungsspannung aus.

Er basiert auf einer 4-Issue- und 32-Register-Version des TMS320C64x-DSP-Cores. Das SoC enthält weiterhin 32 Kbyte L1-Cache und 128 Kbyte L2-Cache sowie die üblichen Schnittstellen I2C, SPI, UART, Multimedia-Card und zu externem Speicher. Insgesamt wurden laut TI rund 600000 Logik-Zellen verbaut und dazu 1,6 Mio. jeweils 0,12 µm2 große 6T-SRAM-Zellen.

Bei 1,0 V wird eine Taktfrequenz von 587 MHz erreicht und 113 mW aufgenommen. Bei der absolut niedrigsten Spannung von 0,5 V werden 43,4 MHz erreicht.

Der Chip wird unter Nutzung der 193-nm-Immersionslithografie mit Double-Patterning hergestellt und weist einen Dual-Gate-Poly-SiON-Gate-Stack auf. Um die pMOS-Performance zu erhöhen, wird bei Source und Drain auf SiGe zurückgegriffen.

Die größte Herausforderung bei diesen Designs besteht in Timing-Schwankungen bedingt durch die Fertigungstoleranzen. Um diese zu lösen, haben TI und das MIT zwei neue Technologien entwickelt: Ultra-Niedrigspannungs-Schaltkreise und SSTA (Statistical Static Timning Anaysis) bei niedrigsten Spannungen.

Bei niedrigsten Spannungen in Sub-Mikro-Prozessgenerationen neigen Schaltkreise zu fehlerhaftem Verhalten, das durch Schwankungen in den Schwellenspannungen der Transistoren verursacht wird. Durch die von TI und dem MIT entwickelten Design-Methoden wurde ein stabiles Schaltverhalten bis hinunter zu 0,6 V erreicht. Desweiteren sind die Schaltzeiten von Standard-Zellen bei niedrigen Spannungen nicht länger eine Zufallsvariable gemäß Gausskurve. Die herkömmlichen SSTA-Tools haben das Problem, dass sie bei 0,6 V oft die tatsächlichen Verzögerungen um 10 bis 70 Prozent zu gering einschätzen. Die neu entwickelte SSTA-Technik erzielt eine wesentlich höhere Genauigkeit von maximal 8 % Abweichung.