Sub-Mikro-Ampere-SoC
Betrieb der FETs im Sperrbereich
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Herausforderungen beim modernen Sub-Threshold Design
Die Anpassung des Standard-Super-Threshold-Flow und der Infrastruktur an Sub-Threshold Designs bringt einige Herausforderungen mit sich wie z.B. schlechte Transistormodelle.
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, so dass bestehende Modelle für das Sub-Threshold-Design unzureichend sind (Bild 3).
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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 Designaufwand 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 die Tatsache, dass nur wenige Entwickler mit dem Umgang von Sub-Threshold-Schaltkreisen erfahren genug sind, erklärt die schwierige Vermarktung dieser Schaltkreistechnologie.
Ambiqs Ansatz
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 Analog 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.
- Betrieb der FETs im Sperrbereich
- Herausforderungen beim modernen Sub-Threshold Design
- Design- und Logistik-Auswirkungen
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