如果不久的将来真的会实现所有以前未连接的电子设备联网，那么真正的目标不是最大限度地提高技术的性能（性能已经足够快，可以支持物联网），而是充分降低电子设备的能耗，使它们能够在新的互联网中有意义地运行。.

能量消耗主要有两种方式：一是电路状态不变时的能量损耗，二是内部节点充放电时的动态能量消耗。对于实际运行的电路而言，动态能量消耗占据主导地位——尤其是在当前大多数设计中使用的较高电源电压下（见图 1）。.

动态能量由工作电压决定。

亚阈值技术是一种制造功耗远低于标准设计方法所制造电路的方法。亚阈值设计极具挑战性，但只要具备相应的专业知识和严谨的态度，就能带来显著的效益。
最终得到的电路能够提供与传统电路相同的功能，但功耗却低得多。性能、鲁棒性和可靠性丝毫不受影响。这些芯片可以与传统芯片并肩运行，从外观上看没有任何区别——除了运行所需的功耗。对于致力于构建节能系统的设计人员来说，它们可以显著节省能源。
由于这些创新具有根本性，亚阈值设计技术几乎可以应用于任何类型的集成电路器件。

亚阈值设计早在几十年前就已进行过测试。
亚阈值设计并非新概念。早在20世纪70年代，瑞士制表商就意识到了在亚阈值区域运行晶体管的潜力。这一理念被应用于心脏起搏器和RFID标签，但除此之外，并未得到广泛应用。

自 20 世纪 70 年代首批商用亚阈值器件问世以来，最大的变化在于应用规模。过去的器件设计仅使用少量关键的亚阈值晶体管——大约 10 个左右。在这个规模下，每个晶体管都可以进行手工优化。
而 Ambiq 公司则生产主要使用亚阈值晶体管的整芯片。这涉及数百万个晶体管，无法手工完成，但 Ambiq 公司利用标准设计工具来制造超阈值芯片。这些芯片正是 Ambiq 公司实现亚阈值电路商业化的关键所在。Ambiq
Micro 的方法超越了其他半导体公司所采取的渐进式改进，并通过一种独特的解决方案——亚阈值电路设计——实现了革命性的突破。正是基于这些考虑，Ambiq 公司开发并商业化了其专利的亚阈值功率优化技术 (SPOT™)。Ambiq 公司利用该技术，以经济高效的制造工艺，构建出可靠、稳健且功耗极低的电路。

电子器件的功耗：
由于动态功耗随工作电压呈指数级变化，因此电压成为降低动态功耗的最重要因素（同时也会对损耗产生显著影响）。例如，与典型的 1.8V 电路相比，工作电压为 0.5V 的“近阈值”电路的动态功耗可降低高达 13 倍。而工作电压为 0.3V 的“亚阈值”电路的动态功耗降低幅度更大，最高可达 36 倍！

传统数字电路设计以晶体管的“导通”或“截止”状态作为实现逻辑的基本概念。模拟电路设计则假定晶体管处于某种可控的“导通”状态，用于放大信号。但亚阈值工作意味着芯片上的所有电压都低于阈值电压 (Vth)，因此晶体管实际上永远不会导通。即使是“高”逻辑电压也会使晶体管保持“截止”状态。这意味着需要全新的设计方法。.

现代亚阈值设计的挑战：
将标准的超阈值通量和基础设施应用于亚阈值设计面临诸多挑战，首先是晶体管本身：

1. 晶体管模型缺陷 晶体管
模型是集成电路设计的基础。所有仿真、抽象和自动化，乃至设计收敛过程本身，都依赖于精确的晶体管模型。大多数晶体管模型都侧重于器件的“导通”特性，而对“关断”特性关注甚少。通常情况下，0V 到 Vth 之间的整个区域无法以相同的精度进行建模，现有模型也不适用于亚阈值设计，如图 2 所示。

2. 逻辑变化和噪声
晶体管在亚阈值区的输出响应非常细微，需要极高的灵敏度才能检测到。电流随电压变化呈指数级变化，但电流值极小。此外，“导通”电流与“关断”电流之比约为 1000，比超阈值设计经验中的数值小几个数量级（参见图 3）。正如预期的那样，外部噪声更容易干扰其正常工作。
 

3. 对工作条件的敏感性。
亚阈值电路设计比超阈值电路设计更容易受到工艺变化和环境变化的影响。例如，慢速工艺曲线下的电流可能比正常工艺低 10 到 100 倍。考虑到开关电流比（如上所述）仅为千倍量级，这种影响不容忽视。
温度变化就是一个很好的例子，说明了环境条件如何给设计人员带来挑战。阈值电压 (Vth) 取决于温度，而导通电流 (Ion) 与阈值电压 (Vth) 呈指数关系（如下图 4 所示）。因此，对于未补偿的电路，高温下的“关断”电流与低温下的“导通”电流值相近。所以，设计亚阈值电路需要付出额外的努力，以确保电路在所有规定的工作条件下都能按预期运行。4
   
. 物流挑战。
超阈值电路设计的许多制造流程都依赖于合理的假设，而这些假设在亚阈值电路设计中并不适用。一个显而易见的挑战在于生产过程中用于验证硅片的测试设备。参数测量单元 (PMU) 用于测试电压和电流，但它们的设计目标是测量微安级，而非纳安级或皮安级。
即使是像器件特性分析这样看似简单的步骤，也需要重新设计，原因在于亚阈值电路具有超阈值电路所不具备的灵敏度。典型的特性分析流程可能不够全面，无法证明电路在所有可能条件下都能正常工作。
这些挑战的根本性，加上很少有工程师精通亚阈值电路问题，共同解释了亚阈值电路商业化所面临的挑战。

Ambiq 的解决方案：
Ambiq 的 SPOT 技术旨在克服所有这些挑战。此外，亚阈值设计技术几乎可以应用于任何类型的集成电路 (IC)。例如，Ambiq 在 2013 年推出全球功耗最低的实时时钟 (RTC)，证明了这种创新方法的可行性。即将发布的全球功耗最低的 32 位 ARM 微控制器 (MCU) 进一步证明了将这些技术扩展到完全不同平台的可行性。Ambiq Micro 致力于扩展 SPOT 平台，并延长电池寿命。