Если в ближайшем будущем действительно произойдет объединение в сеть всех ранее не связанных между собой электронных устройств, то настоящая цель будет заключаться не в максимизации производительности технологии (производительность и так достаточно высока для поддержания Интернета вещей), а в достаточном снижении энергопотребления электронных устройств, чтобы они могли полноценно функционировать в рамках этого нового Интернета.

AMB002 Рис. 1Энергия потребляется двумя основными способами: в виде потерь, когда состояние цепи не меняется, и динамически, когда внутренние узлы заряжаются и разряжаются. В реальных условиях эксплуатации цепей преобладает динамическое потребление энергии, особенно при более высоких напряжениях питания, используемых в большинстве современных конструкций (см. рис. 1).

 

Динамическая энергия определяется рабочим напряжением

Методы субпорогового проектирования позволяют создавать схемы, потребляющие значительно меньше энергии, чем схемы, разработанные с использованием стандартных методов проектирования. Проектирование с использованием субпороговых технологий — сложная задача, но при наличии необходимых знаний и усердия её можно решить со значительными преимуществами.
В результате получаются схемы, выполняющие те же функции, что и более традиционные, но потребляющие значительно меньше энергии. При этом не происходит компромиссов в отношении производительности, надёжности или отказоустойчивости. Эти микросхемы могут работать наравне со своими традиционными аналогами, не имея видимых внешних отличий — за исключением потребляемой мощности. Они могут обеспечить значительную экономию энергии для разработчиков, создающих энергоэффективные системы.
Благодаря фундаментальной природе этих инноваций, методы субпорогового проектирования могут применяться практически к любому типу интегральных схем.

Конструкция, работающая в субпороговом режиме, была протестирована десятилетия назад.
Однако концепция субпорогового режима не нова. Еще в 1970-х годах швейцарские часовщики осознали потенциал работы транзисторов в субпороговом режиме. Эта идея была применена в кардиостимуляторах и RFID-метках, но так и не получила широкого распространения за пределами этой области.

С 1970-х годов, когда были созданы первые коммерческие субпороговые устройства, изменился масштаб применения. В прежних разработках использовалось всего несколько критически важных субпороговых транзисторов — порядка 10. На таком уровне каждый транзистор можно было оптимизировать вручную.
Ambiq создает целые микросхемы, которые в основном используют субпороговые транзисторы. Это составляет миллионы транзисторов, и это невозможно сделать вручную, но это основано на стандартных инструментах проектирования и используется для создания суперпороговых микросхем. Именно такие микросхемы Ambiq разработала для коммерциализации субпороговых схем.
Подход Ambiq Micro выходит за рамки постепенных улучшений, которые применяли другие полупроводниковые компании, и обеспечивает революционные достижения благодаря уникальному подходу к проблеме: проектированию субпороговых схем. Эти соображения привели к разработке и коммерциализации запатентованной компанией Ambiq технологии оптимизации энергопотребления в субпороговом режиме (SPOT™), которую Ambiq использует для создания надежных, отказоустойчивых схем, потребляющих значительно меньше энергии, в экономически эффективном производственном процессе.

Потребление энергии в электронике:
Поскольку динамическая мощность экспоненциально зависит от рабочего напряжения, напряжение становится главным рычагом для снижения динамического энергопотребления (при этом оно также оказывает ощутимое, но менее существенное влияние на потери). Например, по сравнению с типичной схемой, работающей при 1,8 В, схема, работающая вблизи порогового напряжения при 0,5 В, может обеспечить улучшение динамической мощности до 13 раз. Еще более агрессивная схема, работающая ниже порогового напряжения при 0,3 В, может обеспечить улучшение до 36 раз!

В традиционных цифровых схемах состояние транзистора «включено» или «выключено» является фундаментальным понятием для реализации логики. Аналоговые схемы, работающие параллельно, предполагают, что транзистор находится в «включенном» состоянии в некоторой контролируемой степени, используемой для усиления. Но работа в субпороговом режиме означает, что ни одно из напряжений на микросхемах не превышает пороговое напряжение (Vth), поэтому транзисторы фактически никогда не включаются. Даже «высокое» логическое напряжение удерживает транзисторы в «выключенном» состоянии. Это означает, что требуются совершенно новые подходы к проектированию.

AMB002 Рис. 2Проблемы современного проектирования в субпороговом режиме:
адаптация стандартных сверхпороговых потоков и инфраструктуры для проектирования в субпороговом режиме сопряжена с многочисленными трудностями, начиная с самих транзисторов:

1. Некачественные модели транзисторов.
Модель транзистора лежит в основе всего проектирования интегральных схем. Все симуляции, все абстракции и автоматизация, сам процесс завершения проектирования — всё зависит от точной модели транзистора. Большинство моделей транзисторов сосредоточены на характеристиках «включенного» состояния устройства, уделяя мало внимания характеристикам «выключенного» состояния. Весь диапазон между 0 В и Vth обычно не моделируется с одинаковой точностью, а существующие модели непригодны для проектирования в субпороговом режиме, как показано на рисунке 2.


AMB002 Рис. 3 w2. Изменения логики и шум.
Выходной отклик транзистора в подпороговом режиме незначителен; для его обнаружения требуется высокая чувствительность. Токи изменяются экспоненциально в ответ на изменения напряжения, но они чрезвычайно малы. Кроме того, отношение тока «включено» к току «выключено» составляет порядка 1000, что на порядки меньше, чем в опыте проектирования суперпороговых схем (см. рис. 3). Как и ожидалось, внешний шум может гораздо легче нарушить чистую работу.
 

 

3. Чувствительность к условиям эксплуатации.
Схемы с субпороговым режимом работы гораздо более восприимчивы к изменениям технологического процесса и колебаниям окружающей среды, чем схемы с суперпороговым режимом. Например, ток в медленном технологическом процессе может быть в 10–100 раз ниже, чем в номинальном процессе. Учитывая, что отношение тока включения/выключения (см. выше) составляет всего лишь порядка тысячи, это нельзя игнорировать.
AMB002 Рис. 4Колебания температуры — хороший пример того, как условия окружающей среды создают проблемы для разработчика. Vth зависит от температуры, а Ion экспоненциально зависит от V (как показано на рисунке 4 ниже). В результате ток «выключения» при повышенных температурах имеет значение, аналогичное току «включения» при пониженных температурах для некомпенсированной схемы. Поэтому проектирование схем с субпороговым режимом работы требует дополнительных усилий для обеспечения ожидаемой работы схем при всех заданных условиях эксплуатации.
   
4. Логистические проблемы.
Большая часть производственного процесса основана на разумных предположениях для схем с суперпороговым режимом работы, хотя эти предположения не выполняются для схем с субпороговым режимом работы. Одна из очевидных проблем заключается в тестах, используемых для проверки кремния в процессе производства. Параметрические измерительные блоки (PMU), которые измеряют напряжения и токи, предназначены для измерения микроампер, а не наноампер или пикоампер.
Даже такая простая вещь, как характеризация устройства, требует переосмысления просто из-за чувствительности, присущей субпороговым схемам, которой нет у суперпороговых схем. Типичные процессы характеризации могут быть недостаточно тщательными, чтобы продемонстрировать корректную работу схем во всех возможных условиях.
Фундаментальный характер этих проблем, в сочетании с тем фактом, что лишь немногие инженеры являются экспертами в решении проблем субпороговых схем, объясняет сложность коммерциализации субпороговых схем.

Решения Ambiq:
Технология SPOT от Ambiq призвана преодолеть все эти проблемы. Кроме того, методы проектирования в субпороговом режиме могут быть применены практически к любому типу интегральных схем (ИС). Например, Ambiq продемонстрировала жизнеспособность этого инновационного подхода, представив в 2013 году самые энергоэффективные в мире часы реального времени (RTC). Предстоящий выпуск самых энергоэффективных в мире 32-разрядных микроконтроллеров на базе ARM еще раз подтверждает возможность распространения этих методов на совершенно другую платформу. Ambiq Micro стремится расширять платформу SPOT и увеличивать срок службы батарей.