In un circuito Cmos l'energia è consumata in due differenti modi: come dispersione (leakage), o perdita di energia statica che si verifica quando lo stato del circuito non varia e sotto forma di consumo di energia dinamica imputabile ai processi di carica e scarica dei nodi interni. Poiché l'energia dinamica varia in fuznione del quadrato della tensione di funzionamento, questa tensione rappresenta la più importante leva su cui agire per ridurre il consumo di energia. Utilizzando dispositivi a semiconduttore standard, come ad esempio i micorcontrollori, è possibile prendere alcune decisione ad alto livello in fase di progetto finalizzate all'ottimizzazione del consumo di energia. Come accennato poco sopra, la diminuzione della tensione di alimentazione ha un notevole impatto sul consumo di energia dinamica dei circuiti Cmos (che rappresenta peraltrola modalità tipica di funzionamento), così come la riduzione della frequenza di temporizzazione del dispositivo: a questo punto non bisogna dimenticare che entrambi questi parametri sono strettamente correlati ad altri componenti a cui il dispositivo è collegato e che complessivamente costituiscono un circuito elettrico di più ampie dimensioni. Al fine di ottimizzare il consumo di energia totale, molti produttori di Mcu fanno ricorso a varie strategie di commutazione, che prevedono ad esempio lo spegnimento di moduli inutilizzati oppure impiegati raramente oppure la temporizzazione con un segnale di clock a frequenza più bassa. Questo approccio a livello di blocco, che prevede l'aggiunta di funzioni per il risparmio energetico, può arrivare fino a un certo punto, superato il quale è necessario prendere in esame il progetto stesso dei transistor. Ambiq Micro ha raccolto la sfida e ha fatto notevoli progressi nella progettazione di circuiti di tipo "sub-threshold" – in cui cioè i transistor del circuito operano a valori uguali o inferiori alla tensione di soglia Vth. I risultati che si ottengono in termini di risparmio energetico adottando questa tecnologia si commentano da soli. Per esempio, rispetto a un tipico circuito operante a 1,8V, un circuito "near-threshold" (ovvero funzionante con valori di tensione molto prossimi alla soglia superata la quale i transistor diventano attivi) funzionante a 0,5V può dar luogo a miglioramenti, in termini di energia dinamica, di un fattore pari a 13. Utilizzando una strategia di progetto "sub-threshold" ancora più "aggressiva", ovvero facendo funzionare il circuito a una tensione di 0,3V, si possono ottenere miglioramenti di un fattore pari a 36. Le perdite per dispersione (leakage) hanno un impatto tangibile sul consumo di energia totale, ma gli effetti dovuti alle variazioni nella tensione di alimentazione non sono così accentuati. Così nel 2004 Ambiq Micro ha deciso di affrontare queste problematiche iniziando a condurre ricerche nel campo della progettazione "sub-threshold" presso l'università del Michigan. Dal punto di vista tecnico, il funzionamento sotto-soglia dei transistor non è una novità. I fabbricanti di orologi svizzeri e i costruttori di tag Rfid utilizzavano questa tecnologia fin dagli anni '70. Il problema principale che ne ha rallentato l'adozione su vasta scala è stato la necessità di ottimizzare in modo manuale il ridotto numero di transistor critici necessari per garantire il contenimento dei consumi. Per questo motivo i progetti sub-threshold erano limitati a qualche decina di transistor all'interno di un progetto di maggiori dimensioni. In assenza di librerie di celle funzionali basate su questa tecnologia, ottimizzate per i processi di produzione commercialmente più diffusi, e dell'implementazione di queste librerie in tool di progetto standard, i progetti basati su transistor "sub-threshold" non si sono in realtà mai affermati. Poichè progetti di questo tipo possono garantire un sensibile miglioramento in termini di consumi di potenza, è lecito domandarsi i motivi per cui non sono stati finora implementati. A questo proposito non va dimenticato che l'utilizzo dei transistor sotto-soglia comporta il sorgere di problematiche di notevole entità, anche se la ragione principale è determinata dal fatto che finora nessuno si è assunto l'onere, non indifferente, della caratterizzazione necessaria per rendere commercialmente appetibile questa tecnologia.
I punti su cui si sono concentrate le attività di ricerca di Ambiq Micro sono stati i seguenti:
• Modelli dei transistor – Poichè i transistor sono solitamente impiegati nella regione sopra soglia (super-threshold), i modelli di questi component sono molto accurati in questa zona di funzionamento. Le prestazioni nelle regioni sotto-soglia e in prossimità della soglia non sono state mai invece caratterizzate con il medesimo livello di accuratezza. Buona parte dell'attività di ricerca è stata focalizzata sull'analisi delle prestazioni dei dispositive nella regione di funzionamento in cui la tensione è compresa tra 0V e Vth
• Escursioni logiche e rumore – La risposta in uscita di un transistor che opera nella regione sotto-soglia è appena percettibile e il suo rilevamento richiede un elevato livello di sensibilità. Rispetto ai transistor operanti nella regione sopra-soglia, il rapporto della corrente nello stato di "on" rispetto a quella nello stato di "off" di un transitor operante nella regione sotto-soglia è inferiore di un fattore pari a 1.000 (Fig. 2). Il compito di rilevare le escursioni logiche risulta ancora più difficile in presenza di rumore
• Variazioni di funzionamento e del processo produttivo – Nella produzione dei semiconduttori si utilizzano solitamente i cosiddetti corner lots (gruppi di wafer modificati "ad hoc" grazie ai quali è possibile verificare l'affidabilità alle variazioni di processo che statisticamente si verificano nel processo di produzione dei wafer nel corso degli anni). In un corner di processo lento la corrente può essere fino a 100 volte inferiore rispetto a quella del processo nominale. In un progetto "sub-threshold" ciò rappresenta una porzione significativa del rapporto della corrente negli stati di "on" e "off". I parametri di funzionamento come ad esempio la temperatura possono avere un impatto significativo sulla corrente nel funzionamento sotto-soglia. Ad esempio, la corrente nello stato di "off" alle alte temperature è simile a quella della corrente di "on" a temperature inferiori: ciò complica la determinazione dello stato del transistor in un circuito non compensato (Fig. 3). In questo caso è necessario uno sforzo aggiuntivo per assicurare il funzionamento affidabile del progetto in tutte le condizioni operative specificate
• Caratterizzazione e collaudo – Poichè i flussi di produzione tradizionale sono stati concepiti e realizzati per il collaudo di prodotti nei quali i transistor operano nella regione sopra-soglia, è necessario individuare un nuovo approccio per caratterizzare e successivamente collaudare dispositivi realizzati con transistor "sub-threshold" durante la produzione poiché le unità PMU (Parametric Measurement Unit) attualmente disponibili sono stati progettate per misurare correnti dell'ordine dei microA e non dei nanoA o dei picoA.
La piattaforma Spot
Grazie a una migliore comprensione delle caratteristiche operative dei transistor operanti nella regione sotto-soglia realizzati con i processi di produzione dei semiconduttori più diffusi, Ambiq Micro ha proceduto al re-design delle celle e dei circuiti che utilizzano tali transistor. Il primo passo è stato ridurre le celle per comprendere dove i transistor operanti sotto-soglia hanno il maggior impatto sulla riduzione dei consumi. Le celle sono state quindi ri-disegnate, con particolare attenzione alla gestione della sensibilità alle variazioni del valore della tensione di soglia e delle condizioni operative. Nel caso dei blocchi di memoria non volatile (NVM – Non Volatile Memory), ad esempio, i vantaggi legati all'uso dei transistor operanti sotto-soglia è minimo, se non addirittura inesistente. Una memoria non volatile è solitamente impiegata per immagazzinare i parametri che sono caricati in un registro che usa transistor operanti sotto-soglia. Poiché la memoria NVM è tipicamente fatta funzionare una volta all'avviamento del dispositivo, essa può essere realizzata, così come l'associato circuito di trasferimento dati, utilizzando la tecnologia tradizionale (ovvero con i transistor che operano nella regione sopra-soglia) poiché è disattivata una volta assolto il suo compito. Sfruttando questa metodologia, Ambiq Micro utilizza la tecnologia dei transistor "sub-threshold" per le sue celle solo nel momento in cui la sua adozione permette di ridurre i consumi, tornando all'uso della tecnologia tradizionale nei casi il cui il suo impiego non comporta vantaggi significativi. Mentre la conversione delle celle digitali esistenti che utilizzano transistor operanti nella zona sopra-soglia nella tecnologia sotto-soglia è relativamente semplice, i circuiti analogici di solito richiedono un nuovo approccio. I circuiti risultanti spesso sono notevolmente differenti dalle versioni realizzate con transistor operanti sopra-soglia per cui è necessaria un'onerosa attività di ingegnerizzazione del progetto per sviluppare e verificare che questi circuiti risultino conformi alle specifiche in termini di funzionalità e prestazioni. Il risultato di queste attività di ricerche, progettazione e collaudo è la piattaforma SPOT (Sub-threshold Power Optimized Technology). Di solito miglioramenti di prestazioni di tali entità richiedono processi custom oppure l'adozione di tecnologie "ermetiche": la tecnologia SPOT, per contro, è stata ideata in modo da consentire la realizzazione di librerie di progetto compatibili con i nodi di processo che hanno dimostrato di operare correttamente. Ancora più importante il fatto che la tecnologia SPOT è stata ideata per poter sfruttare processi caratterizzate da geometrie sempre più ridotte nel momento in cui questi divengono di uso comune, il che comporta ulteriori vantaggi in termini di riduzione dei consumi. Le problematiche in fase di progetto sono state affrontate utilizzando un duplice approccio. Da un lato sono state sviluppate schede di sondaggio (probe card) custom per gestire quelle misure che il tester non è in grado di affrontare. Dall'altro sono stati implementati circuiti di collaudo on-chip per soddisfare tutte le restanti esigenze di collaudo. Anche il flusso relativo alla caratterizzazione è stato modificato, con l'introduzione di un insieme più completo e preciso di misure condotte in un numero di condizione operative più elevato rispetto a quello previsto per i progetti che utilizzano transistor sopra-soglia. Tutto ciò si traduce in una maggiore affidabilità in fase di progetto e in una maggiore robustezza del prodotto risultante. I circuiti "sub-threshold" di Ambiq, inoltre, sono stati sottoposti alla medesima serie di collaudi di affidabilità alla quale sono soggetti i dispositivi realizzati con le tecnologie standard, che prevedono l'esposizione di più lotti a condizioni estreme per lunghi periodi di tempo, oltre ad altri collaudi standard come quelli relativi alle cariche elettrostatiche (Esd). Questo approccio integrato alla progettazione "sub-threshold – dalla caratterizzazione dei transistor ai processi di produzione fino ad arrivare alle tecniche di caratterizzazione - garantisce che i prodotti di Ambiq Micro non sono distinguibili da quelli realizzati con le tecniche tradizionali, eccezione fatta per i consumi estremamente ridotti. I primi prodotti introdotti dalla società sono stati gli RTC (Real Time Clock) AM08xx e AM18xx che, grazie alla presenza di un commutatore di potenza, sono in grado di ridurre la corrente di massa di un microcontrollore host. Entrambi i dispositivi effettuano il monitoraggio della potenza (Vcc) e, nel caso questa scenda al di sotto di una soglia selezionabile, possono commutare sull'alimentazione di backup (Vbat), mentre i parametri principali sono immagazzinati in 256B di una memoria Ram a bassissima perdita. Con una tensione operativa di 3V e una temperatura di 25°C, entrambi i dispositivi assorbono una corrente di 14nA (in modalità oscillatore RC ottimizzata in termini di consumi). A breve saranno introdotti microcontrollori basati su architettura Arm a 32 bit caratterizzati dai più bassi consumi in assoluto rispetto ad analoghi prodotti presenti sul mercato: essi sono una chiara dimostrazione della possibilità di utilizzare la tecnologia SPOT di Ambiq Micro nella realizzazione di prodotti di uso comune che garantiranno una durata operativa maggiore per una pluralità di prodotti alimentati a batteria e per numerosi dispositivi utilizzati in applicazioni IoT.
