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Sub-Mikro-Ampere-SoC

Betrieb der FETs im Sperrbereich

2. März 2015, 14:29 Uhr | Frank Riemenschneider

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Design- und Logistik-Auswirkungen

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 Zahl 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 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.

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 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 z.B. ESD-Tests (elektrostatische Entladung) wurden durchgeführt. Die Schaltkreise haben sich als robust erwiesen, und Zuverlässigkeitsberichte mit allen Testergebnissen stehen zur Verfügung.

Fazit

In der Theorie stehen Schaltkreise zur Verfügung, die die gleichen Funktionen wie herkömmliche Schaltkreise bieten – aber nur mit einem Bruchteil der Stromaufnahme. Hinsichtlich 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 wird sein, wie sich die Fertigungstoleranzen in der Massenfertigung auswirken und welche Chip-Ausbeute zu realisieren ist, um das Produkt wirtschaftlich erfolgreich verkaufen zu können. Nicht nur die Autoren, sondern die gesamte Low-Power-Mikrocontroller-Community dürfte sehr gespannt sein.