Från årets stora halvledarkonferens konferens ISSCC 2015, den 22-26 februari i San Fransisco, ger vi här några exempel på kretskonstruktioner som ligger i linje med nya trender.

På analogsidan ser vi en utveckling mot batteriladdning av allt från mobiltelefoner till medicinska implantat. Möjligheterna till att öka avståndet för energiöverföring har ökat.
Det sker också en explosionsartad utveckling av nya tekniker för att fånga in energi från omgivningen. Sådan energiskördning sker med hjälp av solceller, piezoelektrisk effekt och termoelektriska omvandlare. I många fall utnyttjar man en kombination av olika omvandlingstekniker.  Speciellt fokuserar man på analoga kretsar för energiskördning på effektnivåer under en mikrowatt från olika energikällor som bara ger någon tiondels mikrovolt.
Energiskördningen möjliggör autonoma avläsning av fjärrbelägna sensorer eller fungerar som ett komplement till konventionella batterier i mobiltelefoner.
För att det hela skall fungera måste de analoga kretsarna konsumera extremt låg effekt. Den energi som blir över lagras i superkondensatorer.
För att klara kraven i dessa lågeffektssystem skalas energikonsumtionen ned i analoga förstärkare i instrument, i oscillatorer och audio-effektförstärkare. För dessa krävs även att spänningsmatningen snabbt skall kunna kopplas på och av för att ge hög verkningsgrad under intermittent drift.
Hela detta tänkande kommer att vara nödvändigt för att möjliggöra implementeringar av IoT, Internet of things.
Analogtekniken är också avgörande för att skapa en brygga mellan analog- och digitalteknik.
Medan digitaltekniken under 40 år ständigt har förbättrats i form av mindre mått, lägre priser och lägre effektförbrukning har det blivit allt svårare att implementera analogtekniken i de nya processnoderna.  Dessutom gäller att när transistormåtten krymper måste de analoga signalerna arbeta inom ett lägre spänningssving, samtidigt som variationerna i analoga parametrar har ökat.

Två analoga trender
ISSCC 2015 pekade ut två trender inom analogtekniken:  
* Den ena innebär att man struntar i att följa med utvecklingen mot allt tätare halvledargeometrier för att i stället använda äldre processnoder.  Därmed kan man uppfylla kraven på den allt högre spänningstålighet som efterfrågas i medicinsk teknik, fordonselektronik, inom industrin och i högeffektiva belysningssystem.
* I andra tillämpningar måste man genomföra en fullständig integration av analoga och digitala funktioner, och detta i kanske senaste halvledarprocesser som FinFET och FDSOI.
I mikroprocessorer med flera kärnor kan man minska den totala energiförbrukningen  genom att dynamiskt  skala matningsspänning  och frekvens då karven på beräkningskapacitet varierar med tiden. För detta ändamål kan DC/DC-omvandlare läggas in vid sidan av digitala kretsar.
Generellt sett driver forskningen på mot en utveckling av lokalt styrda nätaggregat med ökad verkningsgrad, minskad chipyta och ökad uteffekt, men utan att detta kräver externa komponenter. I diagrammet  nedan ser vi en utveckling mot övre högra hörnet, förutom en utveckling mot allt högre uteffekt.

Diagrammet av toppeffekt som funktion av effektdensiteten  ger en bild av utvecklingen av effektomvandlare med switchade kondensatorer. Senaste utveckling, (röd indikering) har lett till ökad effektdensitet och ökad uteffekt utan att behöva offra verkningsgrad.
(Källa för denna och följande illustrationer: ISSCC 2015)

Trender inom A/D-omvandlare
För A/D- och D/A-omvandlare ser vi en pågående utveckling mot allt högre linjäritet, större bandbredd och ökad effektivitet, uttryckt som energi per kvantiseringssteg.
På ISSCC 2015 ser vi för första gången en omvandlarkrets utförd i 14 nm FinFET-teknologi. I denna har man realiserat en process-spännings-temperaturtolerant (PVT, process-voltage-temperature) tids-till-digitalomvandlare med 2¹⁴ fördröjningselement.
Vi ser nu hur energieffektiviteten går mot 5 Fj/kvantiseringssteg. I omvandlarkretsar med ett större antal bitars upplösning ökar svårigheterna med att hålla bruset (brus och störningar) nere i kretsarna. Totalt sett går utvecklingen mot allt bättre effektivitet i sigma-delta-omvandlare, pipeline- och SAR-omvandlare.
Diagrammet nedan visar uppnådd bandbredd som funktion av signal/brusförhållandet. Samplingsjitter eller aperturfel  gör det svårt att kombinera hög upplösning med stor bandbredd.  ISSCC 2015 demonstrerar några exempel på utmärkta resultat på omvandlare, med olika omvandlararkitekturer, med olika bandbredd och SNDR.

Bandbredd som funktion av SNDR.

Trender på radiofrekvenser
Årets ISSCC ger bland annat exempel på högre uteffekt och samtidigt bättre verkningsgrad i PA (power amplifier, effektförstärkare). Utvecklingen drivs bland annat av RF-tillämpningar inom IoT, ”wearables” och trådlösa sensorer samt generellt sett mot högintegrerade lågeffekts radiosystem.
Ett av föredragen avser en mottagare som kan ta emot flera GHz, och som trots att den inte innehåller någon induktor har ett brustal så lågt som 2 dB.
 En av presentationerna avser ett slutsteg i klass AB som  har uppnått nästan 30 procents PAE och >22 dBm PSAT. Man kan konstatera en signifikant ökad användning av digitaltintensiva slutstegstekniker och SOI processteknik för millimetervågs byggblock där ”body bias” används. Samtidigt har även bandbredden ökats med en användning av allt högre arbetsfrekvenser.
Det finns en kontinuerlig trend i ökad uteffekt tack vare en kombination av tekniker för att nå ökad verkningsgrad för att kringgå problemet med allt lägre genombrottspänningar i CMOS, tillverkade i nanoskala. Att åstadkomma RF PA för 3G/4G-standarder är särskilt utmanande på grund den höga kvoten mellan toppeffekt och medeleffekt (”crest”-factor) som de använda modulationstyperna resulterar i.
Trenden inom sändare för LTE är att nå en höggradig linjäritet med nya linjäriseringstekniker genom att tillämpa aktiv återkoppling utan fördistorsion. Effektförstärkarna måste dessutom vara bredbandiga med tanke på att allt högre datahastigheter tillämpas. Detta kräver impedansanpassningsnät på utgången som kan ge en optimal belastningsimpedans över en större RF- bandbredd.
På ISSCC demonstrerade man en första implementering av ett slutsteg som kunde moduleras med 256QAM och uppnå en verkningsgrad, PAE, på  28 procent över en oktavs bandbredd!
Det finns också ett fortsatt intresse av att förbättra envelopföljning (ET, envelope tracking) genom att modulera matningsspänning till effektförstärkaren. På så sätt kan man ytterligare öka batteriets livslängd i mobila LTE-applikationer. Tekniker som kan förbättra det dynamiska omfånget av ET med adaptiv styrning av både matningsspänning och biasströmmar till PA resulterar i rekordhöga PAE och låga effektförluster.

Kombinerade tekniker
På årets konferens presenterade man nya PA-konstruktionsmetoder för framtida PA-arkitekturer där man kombinerar flera tekniker för att ytterligare förbättra prestanda i både CMOS- och SiGe-förstärkare. Till exempel kombinerar man klass-G med Doherty-teknik för att höja verkningsgraden utan att det sker på bekostnad av RF-bandbredden runt 3,7 GHz. Sådana metoder ger betydande verkningsgradsvinster vid ett minskat effektuttag, vid s k ”power back off”.
En kombination av flera konstruktionstekniker visar också den första PA-implementering på millimetervåg  som ger en potential till att snabbt nå över 1-Wattsnivån med god PAE-verknignsgrad. Detta möjliggörs med en ny teknik för modulation av belastningslinjen genom att använda transmissionsledningar med variabel impedans. En digital klass-E-arkitektur har till exempel visat upp till 29 dBm uteffekt vid 46 GHz.
En annan väg till effektiv linjär effektförstärkning är att utnyttja avancerad teknik som 28 nm CMOS FD-SOI genom att få möjlighet till att förspänna transistorns ”body”. Tack vare denna extra flexibla  förspänning kan en kombination av parallella transistorer fungera i olika klasser genom att justera tröskelspänningarna individuellt.
Första implementeringen av 60 GHz WiGig nådde 21 procents PAE vid 18,2dBm uteffekt och en utstyrning till 1 dB kompression (P₁dB).

Oscillatorer med lägre fasbrus
Att nå allt lägre fasbrus, mindre chip-yta och lägre effektförbrukning är ständig utvecklingstrend. Man försöker i många fall minska påverkan av fladderbrus på fasbrus och även minimera kapacitanserna i filtren för faslåsta slingor (PLL, phase locked loop).
Jämförelsetalet ”VCO figure-of-merit” slår nya rekord. I diagrammet nedan ser vi i rött de resultat som presenteras på ISSCC.

Grafen visar jämförelsetal för fasbruset från oscillatorer, angivna i dBc/Hz vid 20 MHz offset.

I försöken att undvika att använda skrymmande kvartskristaller rapporteras om en högstabil tunnfilmsbaserad  frekvensgenerator med en stabilitet av ±3 ppm mellan 0 och 90°C.
På THz-frekvenser har en matris av en faslåsta sändare med tillfredsställande hög uteffekt demonstrerats på frekvenser över 300 GHz. Tekniken möjliggör ett antal praktiska tillämpningar där man kräver en koherent utstrålning. I diagrammet nedan ser vi uteffekten som funktion av frekvensen i millimeterområdet.
84
PAE (%) som funktion av uteffekt för millimetervågs PA i CMOS med ”submicron”-mått.

Trådlösa trender
Utvecklingen av trådlösa sensornät (WSN, Wireless Sensor Networks) och sakernas internet (IoT, Internet of Things) går mot mera mogna strategier för integration. Kommersiellt sett handlar mycket om att dra nytta an standarden för Bluetooth Low energy, men att också utnyttja multimods radioteknik. På konferensen debuterar helt integrerade noder, där mikroprocessor, effekthantering, digitalt basband och trådlösa sändtagare ingår. Den viktigaste utmaningen just nu är att minimera effektförbrukningen.
Medan man för några år sedan kunde integrera en sändtagare i CMOS med digitalt basband, visade årets ISSCC upp kompletta lösningar av sändtagare och RF-effektslutsteg för 3G. Känsligheten i mottagardelen i en SoC ligger idag i nivå med den som uppnås med diskreta lösningar och man har kunnat utelämna användningen av ytvågsfilter (SAW) vilket minskar det totala komponentantalet (BOM) totalt sett.

Trådbunden kommunikation
Bandbredden i olika gränssnitt ökar med en faktor 2 eller 3 över en tvåårsperiod. Kraven på ökad bandbredd drivs framför allt i minneskretsar, grafik, förbindningar mellan chip, bakplan, förbindningar mellan apparatskåp och LAN.
Till viss del sker denna bandbreddsökning genom att man ökar antalet I/O-anslutningar på kretsarna. resultatet är att effektförbrukningen succesivt stiger i I/O-kretsarna. Diagrammet nedan visar att även överföringshastigheten per anslutning har ökat under åren.

Datahastighet per anslutningspunkt för några vanliga I/O-standarder som diskuteras på ISSCC 2015.

Utvecklingen mot halvledarproduktion i allt mindre processnoder har möjliggjort ökade överföringshastigheter per anslutning.

Högsta datahastigheter som funktion av processnod visas här årsvis.

En utveckling som denna kommer dock inte enbart av att transistorerna i senaste halvledarprocesser har skalats ned.   Utvecklingen mot nästa generations lågeffekts datorsystem med höga prestanda kommer också att kräva ökad energieffektivitet och förbättrad signalintegritet.
I/O-kretsarnas strömförbrukning är ett primärt konstruktionshinder i alltifrån system för mobiltelefoner till servrar. Antalet anslutningsstift för I/O och datahastigheten på var och en av dessa har ökat, men så har även effektförbrukningen gjort.
Skalning av processerna har möjliggjort ökade klock- och datahastigheter och erbjuder visserligen viss energieffektivisering, särskilt vad gäller digitala komponenter. Många av dagens framsteg har reducerad effektförbrukningen i höghastighetslänkkomponenter tack vare kretsinnovationer som lågeffekts RX-utjämning (DFE, CTLE), CMOS och resonant klockning, sändare med lågt spänningssving kontakter med länkar med lågfördröjande effektsparande lägen .
Bland presentationerna på årets ISSCC rapporterade man om en långdistans 25 GB/s transceiver uppnå 11 pJ/b och en skalad upplänk som förbrukar bara  0,29 pJ/bit tack vare 0,45 V matningsspänning.
Att helt enkelt öka basbandshastigheten på varje anslutningspunkt med befintliga kretsarkitekturer och kanaler är inte alltid en bärkraftig väg att gå med tanke på systemets effektgränser. Fig 3 plottar energieffektivitet (uttryckt i mW/Gb/s, vilket motsvarar PJ/b) som en funktion av kanalförlust för nyligen rapporterade transceivrar.
Om man tittar på de mest aggressiva konstruktionerna, indikerar data att skalningsfaktorn mellan länkeffekt och signalförluster är något mindre än ett. Det gäller särskilt vid 30 dB kanal förlust, vilket motsvarar ungefär 10 gångers ökning av PJ/b.
På årets ISSCC visades en snabb on/off-länk som sparar ström genom  dynamisk grindning av en transceivern. En multitons transceiver visades också. Denna förbrukar bara 1 PJ/b tack vare att dataspektrum formas för att matcha oregelbundenheter i kanalkarakteristiken.

Elektriska länkar
Vissa typer av I/O-kanaler, särskilt de som rör medellånga avstånd, måste stödja höga datahastigheter över kanaler med höga förluster. För dessa länkar, har nyckeln till skalning varit förbättringar i utjämning och klocka/data-återvinning. Senaste höghastighets-transceivrar använda en kombination av fullt adaptiva utjämningsmetoder, som TX FIR, RX CTLE, DFE, och därtill RX FIR och/eller IIR FFEs. Som ett resultat har senaste transceivrar uppnår datahastigheter över 20 Gb/s över kanaler med 30 dB, eller högre förlust.
Ett av föredragen på ISSCC beskrev tre 25-33 Gb/s transceivrar som fungerar vid upp till 40 dB kanalförluster  och två sändare som stödjer både NRZ- och PAM4-signalering upp till 40 GB/s.

Optiska länkar
Eftersom kravet på ökad bandbredd har accelererat, har optik blivit ett alltmer attraktivt som ett alternativ till traditionellt elektriska trådbundna anslutningar inom datorsystem. Optisk kommunikation har klara fördelar för höghastighets- och långväga anslutningar.
I jämförelse med elektriska anslutningar ger optiska förbindningar lägre kanalförluster. Kretskonstruktion och kapslingsteknik som traditionellt har använts för elektriska förbindningar har anpassats för att möjliggöra integrerade optiska länkar med extremt låg effekt. Detta har resulterat i snabba framsteg i optiska integrerade kretsar för Ethernet, bakplan och optisk chip-till-chip-kommunikation.
På årets ISSCC presenterades flera 20-25 GB/s optiska transceivrar och komponenter med fokus på energieffektivitet och optisk integration. Ett föredrag beskrev en fullständig transceiver som använder WDM för att skicka flera 20 Gb/s dataströmmar på samma optiska fiber.

Fler MIPS per mW
Energieffektiviteten i mikroprocessorer har kraftigt förbättrats med tiden. Det visar det här diagrammet:

Energiutvecklingen för kommersiella mikrodatorer.

Lågeffekts kiselteknologi med inbyggda icke-flyktiga minnen ger bättre energieffektivitet i vila, medan minskad matningsspänning och minskade mått sänker storlekar energiförbrukning vid aktiv drift. På kretsnivå drivs jakten på energieffektivitet nära tröskelspänningen  vilket möjliggör ytterligare minskning av matningsspänningen. En komplett Cortex M0 + ARM-kärna nu kan skalas ner till 850 nW aktiv effekt vid 250 mV, men kan också arbeta vid 66 MHz och 0,9 V matningsspänning.
Förlusteffekter i vila undviker man genom förbättrad teknik för att förhindra läckströmmar, lägga in skuggminnen och optimera konstruktionen av SRAM.
På arkitektuell nivå kompletteras allt mindre mikrostyrkretsar med avancerad effekthantering för varierande omständigheter. Dedikerade accelerationer strömförsörjs selektivt för att effektivisera processkärnorna genom exempelvis AES-kryptering.  Den allra senaste tekniken lägger fokus på dynamisk skalbarhet och på effektiva periferifunktioner som alltid är anslutna, sådana som realtidsklockor och sensorer för ”wake-up”. Resultatet blir en effektförbrukning i nano-Watt-klass som kan strömförsörjas genom någon typ av energiskördning.

Här ser vi några tekniker för att energieffektivisera konstruktionen av mikrostyrkretsar.

Filed under: Halvledarteknik