Genom att låta transistorerna arbeta långt under CMOS-processens vanliga tröskelspänningar har Texas-företaget Ambiq Micro lyckats ta fram en Cortex M4-baserad enkapseldator med extremt låg energiförbrukning. Besparingen ligger mellan 60 och 95 procent, jämfört med konkurrenterna.

– Det här kan vi göra i en helt vanlig CMOS-process, säger Mike Salas, marknadschef för Ambiq. Dessutom kan vi använda modernare processer än konkurrenterna, utan att få ökade tomgångsförluster. Skillnaden i energiförbrukning är enorm, både för aktiv och passiv förbrukning.

Mike Salas, marknadschef för Ambiq

Den teknik som Ambiq arbetar med kallas "sub-threshold voltage operation". Det innebär att en "etta" definieras som 0,5 V i stället för de mera normala 1,8 V. Och eftersom energiförbrukningen ökar med kvadraten på spänningen blir skillnaden i energiförbrukning upp till 13 gånger.
Om det är så här enkelt att spara energi kan man kanske fråga sig varför det inte gjorts tidigare. Svaret är att tekniken har använts sedan sjuttiotalet, men bara i liten skala.

– Problemen är många och därför har tekniken mest använts för till exempel ingångssteg med ett fåtal transistorer eller enkla klockkretsar tillverkade i full-custom-teknik. Vi har arbetat i åtta år med att göra tekniken användbar i stora konstruktioner, baserade på normala konstruktionsmetoder.

Att karaktärisera en normal "superthreshold-transistor" är relativt lätt och verktygstillverkarna levererar fungerande konstruktionsmodeller för logik och minne. Men för subthreshhold är situationen helt annorlunda. Temperaturvariationer och många andra parametrar ställer till problem, testarna har svårt att mäta de ytterst små strömmarna och de små skillnaderna mellan logiknivåerna innebär att karaktäriseringen måste vara extremt noggrann.

Kraftfullare processor
Nu ser det ut som om Ambiq har lyckats att definiera och karaktärisera tillräckligt många konstruktionselement för att få det hela att fungera. Och då blir vinsterna mycket stora.

– Vi tog till exempel tidigt beslutet att basera vår konstruktion på den betydligt kraftfullare Cortex M4-kärnan i stället för den enklare Cortex M0-kärnan, säger Mike Salas. Vår teknik ger så låg energiförbrukning att skillnaden blir marginell. Vår M4-processor har mycket lägre energiförbrukning än någon M0-processor på marknaden.

En orsak till att Ambiq valt den större M4-processorn är också att man inte behöver använda större processgeometrier för att hålla ner tomgångsförlusterna.

– Normalt sett måste en tillverkare av lågenergiprocessorer göra ett val mellan låg läckström och låg aktiv energiförbrukning. Större geometrier ger lägre läckström, men högre aktiv förbrukning, medan modernare processgeometrier ger större läckström, men lägre aktiv förbrukning.
– Vår teknik gör det möjligt att samtidigt reducera både läckström och aktiv energiförbrukning. Det gör att vi kan använda en modern process, där de extra grindarna för M4-kärnan inte spelar någon roll.

Ambiqs Apollo-processor har en aktiv strömförbrukning på 30 µA/MHz och 100 nA i viloläge. Vid 24 MHz är strömförbrukningen 840 µA (3,8 V). Det är flera gånger bättre än konkurrerande Cortex M4- eller M0-processorer. Samtidigt är energiförbrukningen i viloläge många gånger bättre. Komponenterna tillverkas i varianter med 64 – 512 kbyte flashminne och 16 – 64 kbyte RAM. De har inbyggd 13-kanals A/D-omvandlare (10 bit), temperatursensor, komparator och en rad kommunikationsprotokoll som SPI (x8) och I²C (x2). Komponenterna levereras redan i provkvantiteter till nyckelkunder, medan volymproduktionen väntas komma igång under våren.

Filed under: Utländsk Teknik