Si, dans un avenir proche, tous les appareils électroniques auparavant non connectés sont réellement mis en réseau, le véritable enjeu ne réside pas dans l'optimisation des performances de la technologie (celles-ci étant déjà suffisamment rapides pour soutenir l'Internet des objets), mais dans la réduction de la consommation énergétique des appareils électroniques afin qu'ils puissent fonctionner de manière significative au sein de ce nouvel Internet.
L'énergie est consommée de deux manières fondamentales : par pertes, lorsque l'état d'un circuit reste constant, et de façon dynamique lors de la charge et de la décharge des nœuds internes. Pour les circuits en fonctionnement réel, l'énergie dynamique est prédominante, notamment pour les tensions d'alimentation élevées utilisées dans la plupart des conceptions actuelles (voir figure 1).
L'énergie dynamique est déterminée par la tension de fonctionnement
Les techniques de fonctionnement en régime subseuil permettent de créer des circuits consommant beaucoup moins d'énergie que ceux conçus selon les méthodes classiques. La conception en régime subseuil est complexe, mais avec l'expertise et la rigueur nécessaires, elle offre des avantages considérables.
On obtient ainsi des circuits assurant les mêmes fonctions que les circuits traditionnels, mais avec une consommation d'énergie réduite. Les performances, la robustesse et la fiabilité sont préservées. Ces puces peuvent fonctionner en parallèle de leurs homologues traditionnelles sans aucune différence visible de l'extérieur, hormis la consommation d'énergie. Elles permettent aux concepteurs de systèmes écoénergétiques de réaliser d'importantes économies d'énergie.
Grâce à la nature fondamentale de ces innovations, les techniques de conception en régime subseuil peuvent être appliquées à pratiquement tous les types de circuits intégrés.
La conception en régime sous-seuil a été testée il y a plusieurs décennies.
Ce concept n'est pas nouveau. Dès les années 1970, des horlogers suisses avaient perçu le potentiel du fonctionnement des transistors en régime sous-seuil. L'idée a été adoptée pour les stimulateurs cardiaques et les étiquettes RFID, mais n'a jamais connu de diffusion plus large.
Ce qui a changé depuis les années 1970, date de la création des premiers dispositifs commerciaux à fréquence sous-seuil, c'est l'échelle d'application. Les conceptions précédentes utilisaient quelques transistors critiques à fréquence sous-seuil – une dizaine environ. À ce niveau, chaque transistor pouvait être optimisé manuellement.
Ambiq crée des puces complètes qui utilisent principalement des transistors à fréquence sous-seuil. Cela représente des millions de transistors et ne peut être réalisé manuellement ; Ambiq s'appuie sur des outils de conception standard et est utilisé pour créer des puces à fréquence super-seuil. Ce sont ces puces qu'Ambiq a conçues pour commercialiser les circuits à fréquence sous-seuil.
L'approche d'Ambiq Micro va au-delà des améliorations progressives apportées par d'autres entreprises de semi-conducteurs et produit des avancées révolutionnaires grâce à une approche unique du problème : la conception de circuits à fréquence sous-seuil. Ces considérations ont conduit au développement et à la commercialisation de la technologie brevetée d'optimisation de la consommation d'énergie (SPOT™) pour les circuits à fréquence sous-seuil. Ambiq utilise cette technologie pour construire des circuits fiables et robustes qui consomment beaucoup moins d'énergie grâce à un processus de fabrication rentable.
Consommation d'énergie en électronique :
La puissance dynamique variant exponentiellement avec la tension de fonctionnement, cette dernière constitue le principal levier pour réduire la consommation d'énergie dynamique (tout en ayant un impact tangible, quoique moins spectaculaire, sur les pertes). Par exemple, comparé à un circuit classique fonctionnant à 1,8 V, un circuit « proche du seuil » fonctionnant à 0,5 V peut obtenir une réduction de la puissance dynamique jusqu'à 13 fois supérieure. Un circuit « sous-seuil » encore plus performant, fonctionnant à 0,3 V, peut même atteindre une réduction jusqu'à 36 fois supérieure !
Les circuits numériques traditionnels utilisent l'état « passant » ou « bloqué » du transistor comme concept fondamental pour la mise en œuvre de la logique. Les circuits analogiques, parallèlement, supposent qu'un transistor est « passant » à un certain degré, utilisé pour l'amplification. Cependant, le fonctionnement en sous-seuil implique qu'aucune tension sur les puces ne dépasse la tension de seuil (Vth), de sorte que les transistors ne s'activent jamais réellement. Même une tension logique « haute » maintient les transistors « bloqués ». Cela implique des approches de conception entièrement nouvelles.
Les défis de la conception moderne en régime sous-seuil :
adapter les flux et l’infrastructure standard en régime super-seuil à la conception en régime sous-seuil présente de nombreux défis, à commencer par les transistors eux-mêmes :
1. Modèles de transistors imprécis :
Le modèle de transistor est fondamental dans la conception de circuits intégrés. Simulations, abstractions, automatisation, processus de validation : tout repose sur un modèle de transistor précis. La plupart des modèles se concentrent sur les caractéristiques à l’état passant, négligeant les caractéristiques à l’état bloqué. La plage de tension entre 0 V et Vth n’est généralement pas modélisée avec la même précision, et les modèles existants sont inadaptés à la conception en régime sous-seuil, comme illustré sur la figure 2.
2. Changements logiques et bruit.
La réponse en sortie d'un transistor en régime sous-seuil est subtile ; sa détection exige une grande sensibilité. Les courants varient exponentiellement en fonction des variations de tension, mais ils sont extrêmement faibles. De plus, le rapport du courant passant au courant bloqué est de l'ordre de 1 000, soit plusieurs ordres de grandeur inférieur à celui observé en régime supraliminaire (voir figure 3). Comme prévu, le bruit externe peut perturber beaucoup plus facilement un fonctionnement optimal.
3. Sensibilité aux conditions de fonctionnement.
Les circuits sous-seuil sont beaucoup plus sensibles aux variations de procédé et environnementales que les circuits supra-seuil. Par exemple, le courant lors d'un processus lent peut être 10 à 100 fois inférieur à celui d'un processus nominal. Sachant que le rapport courant ON/OFF (voir ci-dessus) est de l'ordre de mille, ce facteur ne peut être négligé.
Les variations de température illustrent bien comment les conditions environnementales complexifient la tâche du concepteur. Vth dépend de la température et Ion dépend exponentiellement de V (comme illustré dans la figure 4 ci-dessous). Par conséquent, le courant « OFF » à haute température est similaire au courant « ON » à basse température pour un circuit non compensé. La conception de circuits sous-seuil exige donc un effort supplémentaire pour garantir leur bon fonctionnement dans toutes les conditions spécifiées.
4. Défis logistiques.
Une grande partie du processus de fabrication repose sur des hypothèses raisonnables pour les circuits supra-seuil, hypothèses qui ne sont plus valables pour les circuits sous-seuil. Un défi majeur réside dans les testeurs utilisés pour valider le silicium en production. Les unités de mesure paramétriques (PMU), qui testent les tensions et les courants, sont conçues pour mesurer des microampères, et non des nanoampères ou des picoampères.
Même une opération aussi simple que la caractérisation des dispositifs doit être repensée en raison de la sensibilité des circuits sous-seuil, contrairement aux circuits supra-seuil. Les méthodes de caractérisation classiques peuvent s'avérer insuffisantes pour démontrer le bon fonctionnement des circuits dans toutes les conditions envisageables.
La nature fondamentale de ces difficultés, combinée au faible nombre d'ingénieurs experts en problèmes sous-seuil, explique la complexité de la commercialisation des circuits sous-seuil.
Solutions Ambiq :
La technologie SPOT d’Ambiq vise à relever tous ces défis. De plus, les techniques de conception en régime sub-seuil peuvent être appliquées à pratiquement tous les types de circuits intégrés (CI). Par exemple, Ambiq a démontré la viabilité de cette approche novatrice avec le lancement, en 2013, de l’horloge temps réel (RTC) la plus basse consommation au monde. La sortie prochaine du microcontrôleur (MCU) 32 bits ARM le plus basse consommation au monde démontre la faisabilité de l’extension de ces techniques à une plateforme totalement différente. Ambiq Micro s’engage à développer la plateforme SPOT et à prolonger la durée de vie des batteries.
