Приближающаяся эра «Интернета вещей» поставит перед разработчиками большой ряд различных вопросов, но основной задачей будет значительное снижение мощности энергопотребления при обеспечении высокой скорости работы.
Расположенная в Голландии лаборатория Holst Centre (она является совместным предприятием, созданным бельгийской лабораторией IMEC и голландской исследовательской организацией TNO) работает над созданием эффективной технологии обработки данных с производительностью 100 Moп/мВт, которая будет востребована в приближающейся эре «Интернета вещей».
По оценкам лаборатории, к 2020 году до 50 млрд различных объектов будут подключены к Интернету. Многие из них будут работать в режиме машина-машина или будут относиться к устройствам мобильной связи, причём для всех устройств ключевым фактором будет являться низкое потребление электроэнергии.
По мнению Хармке де Гроота (Harmke de Groot), директора программы ультрамалопотребляющих беспроводных устройств и DSP компании Holst Centre, поскольку мощность, потребляемая устройством, прямо пропорциональна величине напряжения источника питания (Vdd), то самым простым решением по снижению энергопотребления является снижение уровня напряжения питания. Однако при достижении Vdd уровня 0,4 В возникает ряд проблем, препятствующих дальнейшему улучшению показателей энергопотребления.
Одной из проблем является сложность осуществления стробирования источника питания.
При стробировании источника питания наиболее эффективным методом экономии электроэнергии является отключение неиспользуемых в текущий момент времени логических ИС. Но при Vdd, равном 0,4 В, падение напряжения на р-канальном МОП-транзисторе (который отлично работал при питающем напряжении 1,1 В), находящемся в состоянии «включён», составляет 0,2 В, т.е. 50% от уровня источника питания. К тому же, при таком уровне питающего напряжения логические элементы резко уменьшают скорость работы.
Инженеры компании Holst Centre предложили сделать отдельный контакт для подложки МОП-транзистора. При напряжении питания выше 0,6 В, подложка МОП-транзистора подключена к шине Vdd, т.е. транзистор будет работать в стандартном режиме.
Когда требуется транслировать некоторый ток при Vdd <0,6 В, схема управления подключает подложку к шине 0 В, сопротивление канала падает и происходит передача сигнала.
При низком рабочем напряжении ключей, т.е. при U<0,6 В разработчики смогли вдвое увеличить тактовую частоту без увеличения энергопотребления. По словам де Грот, им удалось снизить потребляемую мощность ключа на частоте 1 МГц до уровня 88 мкВт при напряжении питания 0,4 В.
Подложка МОП-транзистора не может быть постоянно подключена к шине 0 В, так как будут возрастать токи утечки при высоких значениях Vdd.
В «субпороговом» режиме по мере уменьшения Vdd быстро уменьшается скорость срабатывания транзисторов, в результате чего функциональные блоки становятся уязвимыми из-за слишком медленных процессов, происходящих в пластине. У этой проблемы есть два решения.
Первое решение заключается в удалении из устройства блоков, которые особенно уязвимы к процессу изменений, что ведёт к созданию более сложных блоков.
Второй путь – встроить т.н. canary flip-flops — триггерные элементы (ТЭ) параллельно функциональными блокам вдоль критически важных направлений передачи тактовых сигналов.
Эти ТЭ действуют немного медленнее, чем логические элементы, которые они «страхуют». Работа ТЭ напоминает работу канареек в угольной шахте, которые обеспечивают сигналы раннего предупреждения о неприятностях (в данном случае о неприятностях с передачей тактовых сигналов), что позволяет постепенно увеличивать уровень Vdd до необходимого уровня, с тем чтобы скорость обработки сигналов и передача сигналов по критическим направлениям всегда выполнялась должным образом.
Напряжение Vdd формируется интегральным понижающим преобразователем с установленной вне ИС катушкой.
На рисунке показана изготовленная по 40-нм технологии маломощная тестовая КМОП ИС, которая может работать при питающем напряжении от 0,4 В до 1,1 В и обеспечивает удельное энергопотребление от 2 до 5 мкВт/Моп.
Источник: Electronics Weekly
Читайте также:
Архитектуры малопотребляющих процессоров и способы оптимизации энергопотребления
Введение в проектирование систем с пониженным энергопотреблением