能耗是设计便携式系统的一个关键性因素,这一因素的重要性超过了性能,成为了行业发展的推动力量。降低功耗能够延长电池寿命和/或允许使用更小、更轻的电池,不仅最大限度地减少成本,还可以减少设备的尺寸,增强对用户的吸引力。在理想情况下,甚至有可能可以开始考虑使用能源收集源来完全替代电池。

不过,显著减少能耗需要大幅转变逻辑的设计方式。亚阈值功率优化技术(Subthreshold Power Optimized Technology, SPOT)是不同于传统逻辑晶体管设计的方法,在远远低于被视为正常的电压水平下运作。在传统设计中,存在一个使得电路被认为是“开”的阈值电压,而任何低于这个数值的电压则被视为“关”。这通常意味着我们驱动晶体管到最高1.8V电压以创建“开”状态,虽然它看起来像二进制,但实际上并非这样。

即使在低于阈值电压的约1.0V电压亦存在电流流动,然而,传统上不认为这些泄漏电流是好事。但通过使用Ambiq Micro的SPOT方法,实际上可以从电流中提取一个“开”信号,由于能耗与所施加电压的平方成正比,因此可以达到相当显着的功率节省(图1),例如,达到0.5V运作电压便可以实现高达13倍的功率节省;进一步使用0.3V亚阈值电压,更可以实现36倍的大幅功能节省。

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图1: 在亚阈值区域中,开/关电流比率减小几个数量级

Ambiq Micro一直使用SPOT技术开发Apollo系列微控制器,这是业界首款十分依赖亚阈值电压晶体管运作的MCU器件,带来了低至业界领先的30uA/MHz工作模式和待机模式电流为100nA的解决方案。有趣的是,这款解决方案选择了ARM Cortex M4F内核(图2)。与传统上选择使用ARM Cortex-M0+内核的其它所谓“低功率”MCU不同,Ambiq Micro特意选择M4F内核有两个主要原因。

第一个原因是亚阈值电路级技术促使Ambiq能够选择M4F 内核替代 M0+内核,而完全没有功率影响。基于M4F 的Apollo MCU的功耗数值远远低于所有其它供应商的竞争M0+解决方案,便是最好的证实。

第二个原因,是在可穿戴产品和IoT等Ambiq所瞄准的主要市场中,日益依赖大量的传感器和复杂算法。拥有M4F内核是这些应用的一个巨大优势,因为它可以采用比M0+解决方案快得多的速度来执行指令,最终结果是最好的解决方案:功耗水平低于竞争的M0+解决方案,并且结合了M4F处理器的性能。

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图2: Ambiq Micro Apollo MCU

Apollo系列MCU的设计,开始于所有逻辑单元都将会使用SPOT技术的假设,并通过智能决策决定何处不可行或不需要SPOT技术。在某些情况下,超阈值电压是完全可以接受的,例如,若这是正好在上电时发生的事情,然后这些晶体管便可以完全处于传统的超阈值域,因为这对器件的整体能耗没有影响。在其它需要更快速获取信令信息的场合,可以提高电压来提供充足的性能。这意味着Apollo系列在超阈值电压下运行的器件的比例很小,大部分器件也都运行在近阈值或亚阈值域。

Apollo器件选择24MHz为最大时钟速率,并非受到任何亚阈值技术限制,而是因为这个速率是能耗和性能折衷权衡的甜点——这个频率超过了许多主要目标市场的需求,包括可穿戴产品和物联网(IoT)市场领域。

这并不是市场上提供的首款亚阈值器件。Ambiq早在2013年便开发了一款实时时钟(RTC)产品,自那时起一直批量付运。这个研发项目为我们提供了大量的学习机会,尤其是在定时和时钟方面,这些学习知识后续用于更先进的MCU设计之中。

SPOT技术的一项关键要求,是实施方案必需使用标准的主流CMOS技术,由于这需要全面了解低电压下的泄漏特性,所以实际上很难做到。代工厂很难精确地建模,他们并未预期人们在这么低的电压下运作器件。这就需要多年的芯片测试和晶圆班次才能全面建立这些亚阈值域的模型,以及建立它们如何随温度、过程漂移和噪声影响而变化的模型,因此,需要做大量的工作和建模才可以真正了解这些效应的影响。

然而,建立低电压特性的模型仅仅是所需的第一步,更艰难的事情是创建一套动态自适应电路,以解决这些亚阈值域存在的许多问题。真正理解亚阈值效应,从而构建全新的模型和定制单元库,可以设计出同时具备动态和自适应特性的专利电路,帮助克服在低电压域出现的某些负面效应。

由于必需使用满足行业标准的测试仪,但这些测试仪未能在使用Ambiq亚阈值技术所产生的picoAmp和nanoAmp水平进行测试工作,因而,Ambiq需要创建特别的负载板和测试固件,特别适用于测量这些极低的电流,同时仍然能够配合行业标准测试仪。由于实验室设备也无法测量这些电流,所以这项功率测量挑战一直扩展到评测套件层面,这带来了安装在评测套件上的定制电流测量表板,使得客户可以精确地看到电流水平。

简而言之,这种创新亚阈值技术实施方案需要一种全新的思路,涵盖从晶体管直到评测套件的整个设计流程,它还需要完全不同的结构思维方式,以期达到更高的节能水平。Apollo系列器件可以减少能耗多达10倍,为系统设计人员提供前所未有的更大灵活性和更长的电池寿命。

《电子技术设计》2016年7月刊版权所有,谢绝转载。

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