Wenn die nahe Zukunft tatsächlich die Vernetzung aller bisher unverbundenen elektronischen Geräte mit sich bringt, dann liegt der eigentliche Gewinn nicht in der Maximierung der Leistungsfähigkeit der Technologie (die Leistungsfähigkeit ist bereits hoch genug, um das IoT zu tragen), sondern in der Reduzierung des Energieverbrauchs der elektronischen Geräte, sodass diese in diesem neuen Internet sinnvoll funktionieren können.

AMB002 Abb. 1Energie wird im Wesentlichen auf zwei Arten verbraucht: als Verlustenergie, wenn sich der Zustand eines Stromkreises nicht ändert, und dynamisch durch das Laden und Entladen interner Knoten. In realen Betriebsschaltungen dominiert die dynamische Energie – insbesondere bei den höheren Versorgungsspannungen, die in den meisten aktuellen Schaltungen verwendet werden (siehe Abbildung 1).

 

Die dynamische Energie wird durch die Betriebsspannung bestimmt

Subthreshold-Techniken ermöglichen die Entwicklung von Schaltungen, die deutlich weniger Strom verbrauchen als herkömmliche Schaltungen. Subthreshold-Design ist zwar anspruchsvoll, aber mit dem nötigen Fachwissen und der erforderlichen Sorgfalt lohnen sich die Ergebnisse erheblich.
Das Ergebnis sind Schaltungen, die dieselben Funktionen wie traditionelle Schaltungen bieten, jedoch nur einen Bruchteil des Stroms benötigen. Leistung, Robustheit und Zuverlässigkeit bleiben dabei unverändert. Diese Chips können parallel zu ihren herkömmlichen Pendants betrieben werden, ohne dass ein äußerlicher Unterschied erkennbar ist – abgesehen vom geringeren Stromverbrauch. Entwickler energieeffizienter Systeme profitieren von erheblichen Energieeinsparungen.
Aufgrund der grundlegenden Natur dieser Innovationen lassen sich Subthreshold-Designtechniken auf nahezu alle Arten von integrierten Schaltungen anwenden.

Subthreshold-Design wurde bereits vor Jahrzehnten erprobt.
Es handelt sich dabei nicht um ein neues Konzept. Schon in den 1970er-Jahren erkannten Schweizer Uhrenhersteller das Potenzial, Transistoren im Subthreshold-Bereich zu betreiben. Die Idee wurde in Herzschrittmachern und RFID-Tags aufgegriffen, konnte sich darüber hinaus aber nie flächendeckend durchsetzen.

Was sich seit den 1970er-Jahren, als die ersten kommerziellen Subthreshold-Bauelemente entwickelt wurden, verändert hat, ist der Anwendungsbereich. Frühere Designs verwendeten nur wenige kritische Subthreshold-Transistoren – etwa zehn. Auf dieser Ebene konnte jeder Transistor manuell optimiert werden.
Ambiq fertigt hingegen ganze Chips, die primär Subthreshold-Transistoren nutzen. Dies entspricht Millionen von Transistoren und ist nicht manuell zu bewerkstelligen. Stattdessen greift das Unternehmen auf Standard-Designwerkzeuge zurück und entwickelt Superthreshold-Chips. Mit diesen Chips hat Ambiq die Kommerzialisierung von Subthreshold-Schaltungen ermöglicht.
Der Ansatz von Ambiq Micro geht über die inkrementellen Verbesserungen anderer Halbleiterunternehmen hinaus und erzielt revolutionäre Fortschritte durch einen einzigartigen Ansatz: das Design von Subthreshold-Schaltungen. Diese Überlegungen führten zur Entwicklung und Kommerzialisierung der patentierten Subthreshold Power Optimized Technology (SPOT™) von Ambiq. Mit dieser Technologie fertigt Ambiq zuverlässige und robuste Schaltungen, die in einem kosteneffizienten Herstellungsprozess deutlich weniger Strom verbrauchen.

Leistungsaufnahme in Elektronik:
Da die dynamische Leistungsaufnahme exponentiell mit der Betriebsspannung variiert, ist die Spannung der wichtigste Hebel zur Reduzierung der dynamischen Leistungsaufnahme (neben einem spürbaren, aber weniger dramatischen Einfluss auf die Verluste). Beispielsweise kann eine „nahe der Schwellenspannung“ arbeitende Schaltung, die mit 0,5 V betrieben wird, im Vergleich zu einer typischen Schaltung, die mit 1,8 V betrieben wird, eine bis zu 13-fache Verbesserung der dynamischen Leistungsaufnahme erzielen. Eine noch effizientere „Unterschwellenspannung“ arbeitende Schaltung, die mit 0,3 V betrieben wird, kann sogar eine bis zu 36-fache Verbesserung erreichen!

Herkömmliche digitale Schaltungen nutzen den „Ein“- oder „Aus“-Zustand des Transistors als grundlegendes Konzept für die Logikimplementierung. Analoge Schaltungen gehen analog davon aus, dass ein Transistor in einem bestimmten, kontrollierten Grad „eingeschaltet“ ist, was zur Verstärkung genutzt wird. Der Subthreshold-Betrieb bedeutet jedoch, dass keine der Spannungen auf den Chips die Schwellenspannung (Vth) überschreitet, sodass die Transistoren nie tatsächlich leitend werden. Selbst eine „hohe“ Logikspannung hält die Transistoren „ausgeschaltet“. Dies erfordert völlig neue Designansätze.

AMB002 Abb. 2Die Herausforderungen des modernen Subthreshold-Designs:
Die Anpassung von Standard-Superthreshold-Flüssen und -Infrastruktur für das Subthreshold-Design birgt zahlreiche Herausforderungen, angefangen bei den Transistoren selbst:

1. Unzureichende Transistormodelle:
Das Transistormodell bildet die Grundlage für den gesamten Entwurf integrierter Schaltungen. Sämtliche Simulationen, Abstraktionen und Automatisierungen sowie der gesamte Entwurfsprozess selbst basieren auf einem präzisen Transistormodell. Die meisten Transistormodelle konzentrieren sich auf die „Ein“-Kennlinie des Bauelements und vernachlässigen die „Aus“-Kennlinie. Der gesamte Bereich zwischen 0 V und Vth wird typischerweise nicht mit der gleichen Genauigkeit modelliert, und bestehende Modelle sind für den Subthreshold-Entwurf ungeeignet, wie Abbildung 2 zeigt.


AMB002 Abb. 3 w2. Logikänderungen und Rauschen:
Das Ausgangsverhalten eines Transistors im Subthreshold-Bereich ist subtil; seine Erfassung erfordert eine hohe Empfindlichkeit. Ströme ändern sich exponentiell in Abhängigkeit von Spannungsänderungen, sind aber extrem klein. Darüber hinaus liegt das Verhältnis von „Ein“- zu „Aus“-Strom in der Größenordnung von 1000, also um Größenordnungen geringer als bei Transistoren im Superthreshold-Bereich (siehe Abbildung 3). Wie zu erwarten, können externe Störungen den Betrieb deutlich leichter beeinträchtigen.
 

 

3. Empfindlichkeit gegenüber Betriebsbedingungen.
Subthreshold-Schaltungen reagieren deutlich empfindlicher auf Prozessänderungen und Umgebungsschwankungen als Superthreshold-Schaltungen. Beispielsweise kann der Strom in einer langsamen Prozesskurve 10- bis 100-mal niedriger sein als in einem nominalen Prozess. Da das Ein-/Aus-Stromverhältnis (siehe oben) nur in der Größenordnung von tausend liegt, ist dies nicht zu vernachlässigen.
AMB002 Abb. 4Temperaturschwankungen sind ein gutes Beispiel dafür, wie Umgebungsbedingungen eine Herausforderung für den Entwickler darstellen. Die Schwellenspannung (Vth) ist temperaturabhängig, und der Strom (Ion) hängt exponentiell von der Spannung (V) ab (siehe Abbildung 4 unten). Daher ist der Aus-Strom bei erhöhten Temperaturen ähnlich groß wie der Ein-Strom bei reduzierten Temperaturen für eine unkompensierte Schaltung. Die Entwicklung von Subthreshold-Schaltungen erfordert daher zusätzlichen Aufwand, um sicherzustellen, dass die Schaltungen unter allen spezifizierten Betriebsbedingungen wie erwartet funktionieren.
   
4. Logistische Herausforderungen.
Ein Großteil des Fertigungsprozesses basiert auf plausiblen Annahmen für Superthreshold-Schaltungen, obwohl diese Annahmen für Subthreshold-Schaltungen nicht mehr zutreffen. Eine offensichtliche Herausforderung liegt in den Testgeräten, die zur Validierung von Silizium während der Produktion eingesetzt werden. Parametrische Messeinheiten (PMUs), die Spannungen und Ströme messen, sind für die Messung von Mikroampere, nicht von Nanoampere oder Pikoampere, ausgelegt.
Selbst so einfache Dinge wie die Bauteilcharakterisierung müssen aufgrund der Empfindlichkeit von Subthreshold-Schaltungen, die bei Superthreshold-Schaltungen nicht auftritt, überdacht werden. Typische Charakterisierungsabläufe sind möglicherweise nicht umfassend genug, um die korrekte Funktion der Schaltungen unter allen denkbaren Bedingungen nachzuweisen.
Die grundlegende Natur dieser Herausforderungen, kombiniert mit der Tatsache, dass nur wenige Ingenieure Experten im Umgang mit Subthreshold-Problemen sind, erklärt die Schwierigkeit der Kommerzialisierung von Subthreshold-Schaltungen.

Ambiqs Lösungen:
Die SPOT-Technologie von Ambiq zielt darauf ab, all diese Herausforderungen zu meistern. Darüber hinaus lassen sich Subthreshold-Designtechniken auf nahezu jeden integrierten Schaltkreis (IC) anwenden. So demonstrierte Ambiq beispielsweise die Machbarkeit dieses innovativen Ansatzes mit der Einführung der weltweit energieeffizientesten Echtzeituhr (RTC) im Jahr 2013. Die bevorstehende Markteinführung des weltweit energieeffizientesten 32-Bit-Mikrocontrollers (MCU) auf ARM-Basis beweist zudem, dass sich diese Techniken auf eine völlig andere Plattform übertragen lassen. Ambiq Micro engagiert sich für den Ausbau der SPOT-Plattform – und damit für eine längere Batterielebensdauer.