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ANALOG/MIXED SIGNAL
LOW POWER
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- ELETTRONICA OGGI 444 - APRILE 2015
tecnologia fin dagli anni ‘70. L’idea è sta-
ta successivamente ripresa e utilizzata per
la realizzazione di pacemaker e tag RFID.
Il problema principale che ha rallentato
l’adozione su vasta scala di questa tec-
nologia è stato la necessità di ottimizzare
manualmente il ridotto numero di transis-
tor necessari per garantire il contenimento
dei consumi. Per questo motivo i proget-
ti sub-threshold erano limitati a qualche
decina di transistor. Ambiq è riuscita
nell’intento di realizzare chip completi che
usano principalmente transistor “sub-threshold”. Poiché si
tratta di milioni di transistor, l’ottimizzazione non può essere
ovviamente condotta manualmente ma sfruttando i flussi e i
tool di progetto standard utilizzati per creare i chip basati sui
tradizionali transistor “super-threshold”. Questo è appunto
l’importante risultato ottenuto da Ambiq e che ha permesso
alla società di rendere commercialmente disponibili circuiti
basati sulla tecnologia “sub-threshold”.
L’approccio adottato da Ambiq Micro è diverso da quello in-
trapreso da altre società di semiconduttori, che è quello di
una ottimizzazione per piccolo passi. La società texana ha
optato per un approccio più drastico e decisamente inno-
vativo che prevede la progettazione circuitale di tipo “sub-
threshold”.
Le considerazioni appena esposte hanno determinato lo
sviluppo e la commercializzazione di SPOT (Sub-threshold
Power Optimized Technology), la piattaforma tecnologia in
attesa di brevetto che Ambiq utilizza per realizzare circuiti
affidabili e robusti caratterizzati da consumi estremamente
ridotti sfruttando i processi di produzione tradizionali.
Il consumo di energia
Poich
é
l’energia dinamica varia in funzione del quadrato
della tensione di funzionamento, è chiaro che bisogna agi-
re su questo parametro se si vuole ridurne il consumo (a
questo punto val la pena osservare che questa tensione ha
anche un impatto sulla dispersione ma in misura molto mi-
nore). 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 qua-
le 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 funzio-
nare il circuito a una tensione di 0,3V, si possono ottenere
miglioramenti di un fattore pari a 36.
Per implementare le funzioni logiche nei progetti digitali tra-
dizionali si utilizzano gli stati “on” e “off” dei transistor. Nei
progetti di tipo analogico si ipotizza che un transistor si trovi,
in maniera controllata, nello stato di “on” per garantire l’am-
plificazione. Nel caso del funzionamento sotto-soglia, nessu-
na tensione nel chip supera il valore della tensione di soglia
(Vth) per cui un transistor non va mai nello stato di “on”. Ciò
comporta l’adozione di un approccio completamente nuovo
in fase di progettazione.
Progettazione “sub-threshold”: le sfide da affrontare
L’adattamento dell’infrastruttura e dei flussi utilizzati nell’ap-
proccio classico di tipo “super-threshold” alla progettazione
“sub-threshold” comporta l’insorgere di parecchie proble-
matiche, a partire dagli stessi transistor. Questi in sintesi i
principali nodi da sciogliere:
1. Modelli dei transistor inadeguati
Il modello del transistor rappresenta l’elemento base nel
progetto di un circuito integrato. Simulazioni, astrazioni e au-
tomazione del progetto, fino alla design closure devono po-
ter fare affidamento su una modellazione accurata dei tran-
sistor. Poich
é
come ricordato i transistor sono solitamente
impiegati nella regione sopra soglia (super-threshold), la
SPOT:
la soluzione targata
A
mbiq
La tecnologia SPOTmessa a puntodaAmbiqpermette di affrontare e superare tutte
le problematiche esposte nel corso dell’articolo. Senza dimenticare che questa tec-
nica può essere utilizzata per qualsiasi tipo di circuito integrato. Per esempio, la so-
cietà ha dimostrato la fattibilità di questo approccio nel 2013, quando ha introdotto
gli RTC (Real-Time Clock) a più basso consumo disponibili.
Di recente Ambiq ha introdotto una famiglia di MCU a 32 bit basate su Core ARM,
contraddistinte da consumi ridottissimi; una chiara dimostrazione della possibilità
di utilizzare questa tecnologia per lo sviluppo di una piattaforma completamente
differente. La strategia della società è ampliare ulteriormente le potenzialità della
piattaforma SPOT e garantire una durata molto più lunga delle batterie.
Fig. 2 – Nella regione sotto-soglia i transistor non sono modellati in
maniera molto accurata