Sub-Mikro-Ampere-SoC Betrieb der FETs im Sperrbereich

Stromsparendes SoC, das die bisherigen Stromaufnahmen unterbietet.
Stromsparendes SoC, das die bisherigen Stromaufnahmen unterbietet.

Ein amerikanisches Fabless-Unternehmen hat ein besonders stromsparendes SoC realisiert, das die bisherigen Low-Power-Bausteine bei der Stromaufnahme um eine Größenordnung unterbietet. Der Clou ist ein CMOS-kompatibler Prozess, in dem die FETs im Sperrbereich betrieben werden.

Das amerikanische Fabless-Halbleiterunternehmen Ambiq Micro (www.ambiqmicro.de), das als Start-up aus der University Michigan (www.umich.edu) hervorgegangen ist, setzt die Forschungsergebnisse seiner Gründer für die Realisierung eines SoC mit ARM-Prozessor ein, das sich durch einen besonders geringen Strombedarf auszeichnet. Der Apollo-SoC (Bild 1) benötigt im Betrieb lediglich 30 µA/MHz bei der Ausführung von Befehlen aus dem Flash-Speicher; die durchschnittliche Stromaufnahme im Sleep-Modus beträgt lediglich 100 nA.

Als Core haben die Ambiq-Entwickler auf den Cortex-M4F von ARM zurückgegriffen, der mit seiner Gleitkommaeinheit ausreichend Rechenleistung für die Anforderungen bietet, die von den IoT-Anwendungen in aller Regel gestellt werden. Die Mikro­controller können mit maximal 24 MHz getaktet werden; sie integrieren bis zu 512 KB Flash-Speicher und 64 KB RAM. Für die Kommunikation mit Sensoren und sonstiger Peripherie sowie einem Host-Prozessor sind I²C- und SPI-Ports sowie eine UART-Schnittstelle vorgesehen. Auf dem Chip sind noch integriert ein 1-MS/s-10-bit-A/D-Umsetzer mit 13 Eingangskanälen und ein Temperatur-Sensor, der laut Datenblatt eine Genauigkeit von ±2 °C erreicht.

Zwei kompakte Packaging-Optionen stehen zur Verfügung: ein 64-poliges, 4,5 mm × 4,5 mm großes BGA-Gehäuse mit 50 GPIOs und ein größenoptimierten 2,4 mm × 2, 77 mm großes CSP (Chip-Scale Package) mit 42 Anschlüssen und 27 GPIOs. Derzeit werden Samples der Apollo-MCUs an ausgewählte Kunden geliefert. Die Volumenfertigung soll im Frühjahr 2015 beginnen, die Preise sollen bei jeweils 1,50 US-Dollar für Mengen von 10K+ liegen.

Sub-Threshold Design – ein revolutionärer Ansatz, um Energie einzusparen

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-Schaltkreisdesign.

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), so dass 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, die mehrere Jahrzehnte gedauert hat, 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 Schaltkreisdesigns. Darunter fanden sich auch Sub-Threshold-Designtechniken. 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-Transistor­design 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.