Tecnologia “Sub-Threshold” per consumi infinitesimaliERT

Non vi sono solo le emergenti applicazioni di energy harvesting, ma basti pensare anche solo ai problemi legati alla sempre insufficiente durata delle batterie dei prodotti portatili per capire quale sia l’importanza di disporre di componenti in grado di ridurre drasticamente il loro consumo di energia.

In realtà, però, i progettisti sanno che non è una cosa assolutamente semplice progettare componenti in grado di operare a tensioni di alimentazione sempre più contenute e che nel contempo si accontentino di correnti di lavoro ridotte. Basti pensare infatti ai problemi legati all’inevitabile aumento delle capacità parassite con il progressivo assottigliarsi delle diffusioni e degli impianti ionici necessari per realizzare i componenti integrati.

Parallelamente, inoltre, vi è da considerare il problema legato alla necessità di garantire prestazioni accettabili quando si opera con tensioni di alimentazione al di sotto dei 2 Volt – ciò che penalizza velocità e potenza di calcolo – mentre invece le esigenze attuali richiedono in ogni ambito prestazioni sempre più di punta.

Una nuova proposta

Proprio in quest’ambito si colloca la proposta di una società texana di semiconduttori nata qualche anno fa che ha a catalogo dei circuiti integrati (in particolare microcontroller e timer real-time) caratterizzati da consumi particolarmente contenuti, e quindi adatti ad applicazioni portatili in grado di garantire un’elevata durata delle batterie.

Ambiq Micro – questo è il nome della società – ha sviluppato una tecnologia proprietaria denominata SPOT, ovvero Sub-Threshold Power Optimized Technology. Ambiq Micro si propone di supportare con questa piattaforma le nuove compagnie che intendono realizzare dispositivi per le applicazioni di tipo “energy-critical”, partendo dalla considerazione che proprio queste saranno le sfide dei prossimi anni.

La riduzione del consumo di potenza da parte dei componenti a semiconduttore permette infatti non solo di garantire una maggior durata delle batterie, ma anche di eliminarle del tutto, grazie alla possibilità di catturare l’energia dell’ambiente applicativo e di immagazzinarla, ciò che richiede però il presupposto di poter disporre di una componentistica estremamente parca di energia.

Nanoampere anziché microampere

Come primi prodotti in grado di evidenziare sostanziali risparmi energetici sono stati realizzati dei timer RTC che si sono dimostrati i più “risparmiosi” al mondo, nelle serie AM08xx e AM18xx (Fig. 1).

Tutti questi RTC integrano un oscillatore a cristallo che assorbe solo 55 nA che consente di generare un’uscita di clock programmabile da 32 kHz a 1 anno. Per il timekeeping viene utilizzato un oscillatore RC che consuma solo 14nA e il cui assorbimento, in modalità auto-calibrazione a ±2 ppm, sale a 22 nA (Fig. 2). Non si pensi che questi RTC assorbano poco in quanto parchi di funzionalità, anzi.

Dispongono infatti di timer di watchdog, I/O flessibili, monitor degli interrupt esterni, 4 uscite GPIO, 256 byte di RAM, commutazione per il battery-backup, gestione automatica del reset, switch per il power-management e commutazione automatica a Vbat, circuito per la carica di un supercapacitor a corrente programmabile, rilevamento di brown-out programmabile e funzione di countdown and repeat.

Ancora, calcolo automatico dell’anno bisestile, system-sleep manager per la gestione degli stati di wake/sleep del processore, disponibilità di un comparatore di tensione programmabile ed interfaccia seriale I2C (fino a 400 kHz) o SPI (fino a 2 MHz) a seconda delle versioni, il tutto in package QFN o direttamente su wafer per un die-slicing e un packaging personalizzato. Si tratta insomma di veri e propri “RTC and power-management system-level devices” ideali partner di micro controller, radio e sensori. Il range di power-retention per la RAM va 1.5 a 3.6V, mentre la temperatura di esercizio può andare dai -40 ai +85 °C.

Le applicazioni previste sono molteplici (Fig. 3), e comprendono le smart card, i sensori wireless e IoT, i dispositivi per il fitness e l’health-care indossabili, gli apparati elettronici di indagine medica, i misuratori di consumi, i data-logger, i dispositivi portatili nonché gli apparati di consumo.

Questi RTC permettono infatti di svolgere vari ruoli fondamentali, ad esempio nella gestione dei sistemi di sensori wireless, e precisamente: fungere da power-manager del sistema, da fonte di sincronizzazione per svolgere determinate funzioni in intervalli di tempo specifici, e inoltre assicurare la massima durata da una sorgente di energia anche nelle situazioni di minima sorgente ambientale disponibile.

Normalmente, infatti, i sensori wireless si basano sul clock interno delle MCU per le operazioni di temporizzazione, ciò che consuma centinaia di nano ampere anche se il microcontroller si trova in deep-sleep mode. Il ricorso ai timer RTC di Ambiq con power-management integrata per rimpiazzare il clock delle MCU permette invece di ridurre la potenza richiesta di almeno 20 volte.

Grazie all’impiego di RTC di questo tipo è inoltre possibile disattivare o comunque gestire gli intervalli di funzionamento dei sensori che consumano troppa energia come anche i transceiver wireless, in modo da massimizzare l’energia disponibile nel sistema. Gli RTC possono infatti essere usati per la disattivazione/riattivazione dei dispositivi in un determinato istante, oppure in uno specifico intervallo, se il livello della batteria è inferiore ad un certo valore, quando viene rilevato un errore in un dispositivo, su pressione di un tasto o con una qualsiasi combinazione di eventi programmabili.

Nel conseguire gli obiettivi di riduzione della potenza assorbita Ambiq Micro ha deciso di non seguire il percorso intrapreso dalle altre Società di semiconduttori, che è quello di una successione di piccoli passi di ottimizzazione. La Società texana ha invece optato per un approccio più drastico e decisamente innovativo: una progettazione circuitale definita “sub-threshold”.

La considerazione di base su cui si fonda l’analisi dei progettisti è la seguente: l’energia viene assorbita essenzialmente in due situazioni, e precisamente quando lo stato del circuito non cambia (condizione statica, a riposo) e dinamicamente quando i nodi interni subiscono una transizione di stato.

Poiché i circuiti sono progettati per esprimere al massimo la loro potenza di calcolo, è naturale che la potenza dinamica sia in assoluto quella predominante, soprattutto quando i circuiti operano con le tensioni di lavoro più elevate (Fig. 4), che purtroppo vengono largamente utilizzate per ottenere le maggiori prestazioni.

Il grafico di figura 5 ben evidenzia l’andamento della corrente in funzione della tensione di lavoro. Poiché come si vede la corrente assorbita dipende dal quadrato della tensione di lavoro, per contenere la dissipazione occorre agire proprio sulla tensione di alimentazione. Ad esempio, rispetto ad un classico circuito alimentato a 1.8V, un circuito che opera a 0.5V assorbe solo un tredicesimo della potenza, mentre riducendo a soli 0.3V la tensione di alimentazione si otterrebbe una riduzione di potenza di ben 36 volte.

Per poter far operare i circuiti a tensioni così basse occorre però modificare drasticamente il concetto di transistor “on” e “off”, adottando invece un criterio di sola modifica della soglia di funzionamento, mantenendo comunque il transistor in condizioni di interdizione. Questa è, in poche parole, la strategia che viene implementata nel progetto dei circuiti SPOT ovvero sub-threshold (Fig. 6).

Afferma Ambiq che questa tecnologia era già nota negli anni ’70, ed è stata utilizzata da una Società svizzera per la realizzazione di pacemaker e di tag RFID, senza però essere estesa ad altre realizzazione. Da allora si è dovuto attendere che l’esigenza di componenti a bassissimo consumo divenisse un imperativo in molti settori applicativi.

Il team di progettisti di Ambiq ha fatto parte del gruppo di accademici che – presso l’Università del Michigan – ha riproposto nel 2004 tale tecnologia raggiungendo nel 2010 una completa fattibilità commerciale, ed ora Ambiq è l’unica Società ad utilizzare tale approccio per tutti i suoi prodotti. Per fare ciò il team ha dovuto riprogettare i modelli che descrivono il comportamento dei transistor integrati, ponendo l’attenzione soprattutto sulla condizione di off-state (regione tra 0V e V_TH), mentre le modellizzazioni correnti focalizzano la propria attenzione soprattutto sul comportamento in on-state.

Come si può vedere dalla figura 5, infatti, con tensioni di lavoro comprese fra 0 e 0.5V la corrente di drain varia esponenzialmente, ciò che richiede circuiti molto sensibili per controllare accuratamente ed in maniera affidabile il comportamento del transistor.

Una sfida impegnativa

Ciò spiega perché le altre società hanno evitato di adottare questo tipo di approccio; le difficoltà realizzative però non finiscono qui. Infatti, operando in questo range, il rapporto fra le correnti a livello alto e a livello basso è di circa 1000 mentre – come evidenziato in figura 5 – operando con tensioni di alimentazione superiori a 1.5V si può disporre di un rapporto di quasi 100 milioni. Ciò richiede non solo circuiti più sensibili, ma rende altresì i circuiti più sensibili al rumore e ai disturbi elettrici.

Non solo, ma la tecnica sub-threshold risulta più sensibile alle possibili variabili dei processi produttivi e delle condizioni operative. Infatti, ad esempio, la temperatura ha una notevole influenza sui parametri di controllo; è noto che la VTH varia con la temperatura e la Ion varia esponenzialmente con la tensione di lavoro: ne consegue che, mentre a 1.8V la corrente di lavoro varia di circa il 20% passando da -25 a +25 °C (Fig. 7), operando a 0.25V la corrente varia del 660% quando la temperatura del dispositivo varia di 50 °C.

I progettisti di Ambiq hanno però deciso di affrontare la non semplice sfida, ricaratterizzando i modelli dei transistor nella regione di sub-threshold e ottenendo risultati che hanno ricompensato anni di sforzo e di ottimizzazione. Una cura particolare è stata infatti posta nella scelta delle celle dei transistor low-power disponibili nelle modellizzazioni correnti che meglio si potessero adattare allo scaling della tensione.

Non solo, ma la società ha altresì dovuto superare lo scoglio rappresentato dai tester di dispositivi che sono stati progettati per misurare correnti dei microampere e non dei nano o dei pico-ampere.  In quest’ambito, una particolare cura è stata posta nella ri-caratterizzazione delle celle dei circuiti analogici, che hanno richiesto un’accurata riprogettazione, poiché si è presentata una situazione drasticamente differente rispetto all’approccio classico di tipo super-threshold. L’ottimizzazione delle porzioni analogiche (ad esempio i comparatori) ha richiesto fra l’altro l’adozione di tecniche costruttive differenti da quelle adottate nelle porzioni di chip utilizzate per i circuiti logici.

In altre porzioni di circuito si sono affiancati transistor classici a quelli low-power: nei circuiti NVM (quelli di memorizzazione non-volatile per le impostazioni o i dati di calibrazione quando il chip è in modalità di power-down) si sono potuti utilizzare senza problemi transistor super-threshold poiché essi sono attivi solo durante la fase di power-up e poi vengono spenti, mentre invece i registri attivi dove tali valori vengono trascritti durante il power-up debbono essere realizzati in tecnica sub-threshold.

Oggi, Ambiq utilizza tale tecnica per realizzare complessi timer RTC e microcontroller in geometria da 28 nm, come ad esempio il micro di tipo ARM a 32-bit ad alta integrazione con la potenza assorbita più bassa della sua categoria (la serie APOLLO, Fig. 8) ideale per tutte le applicazioni di “elettronica indossabile”, sensori wireless, dispositivi IoT, smart card e d in genere le applicazioni di tipo battery-powered a basso consumo.