Extreme Low Power

32 bit RISC-Prozessor mit 2,5 μW/MHz

26. Juni 2019, 11:16 Uhr |    
Blauer Chip auf blauer Leiterplatte
Extreme Low Power: 32 bit RISC-Mikrocontroller mit 2,5 μW/MHz.
© CSEM

Eine bewährte Methode zum Senken der Verlustleistung von Prozessoren ist die dynamische Spannungs- und Frequenzsteuerung. Nun gelang es Forschern des CSEM in der Schweiz die Betriebsspannung auf 0,5 V zu verringern – nah an die Schwellenspannung.

Ein Mikrocontroller mit einem 32 bit RISC-Prozessor, der nahe der Schwellenspannung mit einer Spannung von 0,5 V betrieben werden kann, haben die schweizerische Forschungsorganisation CSEM (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA) zusammen mit dem Wafer-Hersteller Mie Fujitsu Semiconductor (MIFS) entwickelt.

Er basiert auf der Deeply Depleted Channel Technik (DDC) von MIFS für Low-Power-Anwendungen. Durch die Immunität gegen zufällige Dotierstoffkonzentrationsstreuung (RDF – Random Dopant Fluctuation) eignet sich die Technik für den Niederspannungsbetrieb, unterliegt aber immer noch Prozess-, Temperatur- und anderen Schwankungen.

Um die Auswirkungen solcher Schwankungen zu reduzieren, haben CSEM und MIFS eine Reihe von Entwurfstechniken umgesetzt und eine Body-Bias-basierte adaptive dynamische Steuerung der Taktfrequenz (ADVbbFS – Adaptive Dynamic Voltage Body-bias based Frequency Scaling) als IP implementiert.

Der mit der C55DDC-Technik entwickelte RISC-Mikrocontroller mit 32 bit ermöglicht eine  Leistungsaufnahme von nur 2,5 μW/MHz – ein neuer Weltrekord für Mikrocontroller gefertigt in einem 55-nm-CMOS-Prozess.

Da die Leistungsaufnahme proportional zum Quadrat der elektrischen Versorgungsspannung ist, können durch das Absenken der Versorgungsspannung große Energieeinsparungen erzielt werden, wenn die Last sich unverändert verhält.

Mikrocontroller mit sehr niedriger Leistungsaufnahme (ELP – Extreme Low Power) sind eine Voraussetzung für energieautarke Funksensoren, die Energie aus der Umgebung gewinnen (Energy Harvesting).

Keizaburo Yoshie, Senior Vice-President bei MIFS, sagte dazu: »Durch die Kombination der ULP-Technik von CSEM mit der DDC-Prozesstechnik von MIFS können IoT-Chips entwickelt werden, die in Sachen Energieeffizienz unschlagbar sind.«

Alain-Serge Porret, Vice-President Integrated & Wireless Systems bei CSEM, erklärte: »Das Low-Voltage-Design wird für zukünftige IoT-Geräte ausschlaggebend sein; es ist toll, mit MIFS zusammenzuarbeiten, um diesen Traum Wirklichkeit werden zu lassen.«

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