Se nel prossimo futuro si assisterà davvero alla connessione in rete di tutti i dispositivi elettronici precedentemente non collegati, allora il vero obiettivo non sarà massimizzare le prestazioni della tecnologia (le prestazioni sono già sufficientemente elevate per supportare l'IoT), bensì ridurre il consumo energetico dei dispositivi elettronici in modo che possano funzionare efficacemente all'interno di questa nuova Internet.

L'energia viene consumata in due modi fondamentali: come perdita, quando lo stato di un circuito non cambia, e dinamicamente, quando i nodi interni si caricano e si scaricano. Nei circuiti reali in funzione, l'energia dinamica è predominante, soprattutto per le tensioni di alimentazione più elevate utilizzate nella maggior parte dei progetti attuali (vedere Figura 1).

L'energia dinamica è determinata dalla tensione di esercizio

Le tecniche di sottosoglia sono un modo per creare circuiti che consumano molta meno energia rispetto a quelli realizzati con le pratiche di progettazione standard. La progettazione sottosoglia è impegnativa, ma con la giusta competenza e diligenza può essere realizzata con vantaggi significativi.
Il risultato sono circuiti che offrono le stesse funzioni di quelli più tradizionali, ma consumando una frazione dell'energia. Non vi è alcun compromesso in termini di prestazioni, robustezza o affidabilità. Questi chip possono funzionare insieme alle loro controparti tradizionali senza alcuna differenza visibile dall'esterno, se non per la quantità di energia necessaria al loro funzionamento. Possono fornire un notevole risparmio energetico per i progettisti che realizzano sistemi a basso consumo.
Data la natura fondamentale di queste innovazioni, le tecniche di progettazione sottosoglia possono essere applicate praticamente a qualsiasi tipo di dispositivo a circuito integrato.

La progettazione sottosoglia è stata testata decenni fa.
Non si tratta di un concetto nuovo. Già negli anni '70, gli orologiai svizzeri avevano intuito il potenziale del funzionamento dei transistor nella regione sottosoglia. L'idea fu adottata nei pacemaker e nei tag RFID, ma non ottenne mai una diffusione capillare al di fuori di questi ambiti.

Ciò che è cambiato dagli anni '70, quando furono creati i primi dispositivi sub-soglia commerciali, è la scala di applicazione. I progetti precedenti utilizzavano pochi transistor sub-soglia critici, dell'ordine di 10. A quel livello, ogni transistor poteva essere ottimizzato manualmente.
Ambiq crea interi chip che utilizzano principalmente transistor sub-soglia. Questo equivale a milioni di transistor e non può essere fatto manualmente, ma si basa su strumenti di progettazione standard e viene utilizzato per creare chip super-soglia. Questi sono i chip che Ambiq ha realizzato per commercializzare i circuiti sub-soglia.
L'approccio di Ambiq Micro va oltre i miglioramenti incrementali apportati da altre aziende di semiconduttori e produce progressi rivoluzionari attraverso un approccio unico al problema: la progettazione di circuiti sub-soglia. Queste considerazioni hanno portato allo sviluppo e alla commercializzazione della tecnologia brevettata SPOT™ (Subthreshold Power Optimized Technology) di Ambiq, che Ambiq utilizza per costruire circuiti affidabili e robusti che consumano molta meno energia in un processo produttivo economicamente vantaggioso.

Consumo energetico nei dispositivi elettronici:
Poiché la potenza dinamica varia esponenzialmente con la tensione di esercizio, quest'ultima diventa il principale strumento per ridurre il consumo di potenza dinamica (avendo anche un impatto tangibile, seppur meno drastico, sulle perdite). Ad esempio, rispetto a un circuito tipico che opera a 1,8 V, un circuito "vicino alla soglia" che opera a 0,5 V può ottenere un miglioramento fino a 13 volte maggiore in termini di potenza dinamica. Un circuito "sottosoglia" ancora più aggressivo, che opera a 0,3 V, può raggiungere un miglioramento fino a 36 volte maggiore!

I progetti digitali tradizionali utilizzano lo stato "acceso" o "spento" del transistor come concetto fondamentale per l'implementazione della logica. I progetti analogici, in parallelo, presuppongono che un transistor sia "acceso" a un certo livello controllato, utilizzato per l'amplificazione. Tuttavia, il funzionamento sottosoglia implica che nessuna delle tensioni sui chip superi la tensione di soglia (Vth), quindi i transistor non si accendono mai effettivamente. Persino una tensione logica "alta" mantiene i transistor "spenti". Ciò significa che sono necessari approcci di progettazione completamente nuovi.

Le sfide della progettazione sottosoglia moderna:
adattare i flussi e le infrastrutture standard soprasoglia alla progettazione sottosoglia presenta numerose sfide, a cominciare dai transistor stessi:

1. Modelli di transistor inadeguati
Il modello del transistor costituisce la base di tutto nella progettazione di circuiti integrati. Tutte le simulazioni, tutte le astrazioni e l'automazione, il processo di chiusura del progetto stesso: tutto si basa su un modello di transistor accurato. La maggior parte dei modelli di transistor si è concentrata sulle caratteristiche "on" del dispositivo, prestando poca attenzione alle caratteristiche "off". L'intera regione tra 0 V e Vth in genere non viene modellata con la stessa precisione e i modelli esistenti non sono adatti alla progettazione sottosoglia, come mostrato nella Figura 2.

2. Variazioni logiche e rumore
La risposta in uscita di un transistor in regime di sottosoglia è sottile; rilevarla richiede un'elevata sensibilità. Le correnti variano esponenzialmente in risposta alle variazioni di tensione, ma sono correnti estremamente piccole. Inoltre, il rapporto tra corrente "accesa" e corrente "spenta" è dell'ordine di 1000, ordini di grandezza inferiori rispetto all'esperienza di progettazione in regime di soprasoglia (vedere Figura 3). Come previsto, il rumore esterno può interferire molto più facilmente con un funzionamento pulito.
 

3. Sensibilità alle condizioni operative.
I progetti sottosoglia sono anche molto più suscettibili alle variazioni di processo e ambientali rispetto ai progetti soprasoglia. Ad esempio, la corrente in una curva di processo lenta può essere da 10 a 100 volte inferiore a quella di un processo nominale. Considerando che il rapporto corrente on/off (sopra) è solo dell'ordine di mille, questo non può essere ignorato.
Le variazioni di temperatura sono un buon esempio di come le condizioni ambientali creino una sfida per il progettista. Vth dipende dalla temperatura e Ion dipende esponenzialmente da V (come mostrato nella Figura 4 qui sotto). Di conseguenza, la corrente "off" a temperature elevate ha un valore simile alla corrente "on" a temperature ridotte per un circuito non compensato. Pertanto, la progettazione di circuiti sottosoglia richiede uno sforzo aggiuntivo per garantire che i circuiti funzionino come previsto in tutte le condizioni operative specificate.
   
4. Sfide logistiche.
Gran parte del flusso di produzione si basa su ipotesi ragionevoli per i progetti soprasoglia, anche se queste ipotesi non sono valide per i progetti sottosoglia. Una delle sfide più evidenti risiede negli strumenti di test utilizzati per validare il silicio durante la produzione. Le unità di misura parametriche (PMU), che testano tensioni e correnti, sono progettate per misurare microampere, non nanoampere o picoampere.
Persino un'operazione semplice come la caratterizzazione dei dispositivi deve essere ripensata, proprio a causa della sensibilità specifica dei circuiti sottosoglia, assente invece in quelli soprasoglia. I tipici flussi di caratterizzazione potrebbero non essere sufficientemente approfonditi per dimostrare il corretto funzionamento dei circuiti in tutte le condizioni immaginabili.
La natura fondamentale di queste sfide, unita al fatto che pochi ingegneri sono esperti nella gestione dei problemi relativi ai circuiti sottosoglia, spiega la difficoltà di commercializzare tali circuiti.

Le soluzioni di Ambiq:
la tecnologia SPOT di Ambiq mira a superare tutte queste sfide. Inoltre, le tecniche di progettazione sub-soglia possono essere applicate praticamente a qualsiasi tipo di circuito integrato (IC). Ad esempio, Ambiq ha dimostrato la fattibilità di questo approccio innovativo con l'introduzione, nel 2013, dell'orologio in tempo reale (RTC) a più basso consumo al mondo. L'imminente lancio del microcontrollore (MCU) a 32 bit basato su ARM a più basso consumo al mondo dimostra ulteriormente la possibilità di estendere queste tecniche a una piattaforma completamente diversa. Ambiq Micro si impegna ad espandere la piattaforma SPOT e a prolungare la durata delle batterie.