Stromaufnahme

Energieeffizientere Halbleiter durch Subthreshold

| Autor / Redakteur: Rich Collins / Sebastian Gerstl

Eine von mehreren marktreifen Lösungen nach Grundlage existierender Subthreshold-Technologie : PLSense PLS10 IC basierend auf dem Synopsys ARC Data Fusion Subsystem.
Eine von mehreren marktreifen Lösungen nach Grundlage existierender Subthreshold-Technologie : PLSense PLS10 IC basierend auf dem Synopsys ARC Data Fusion Subsystem. (Bild: Synopsys)

Firmen zum Thema

Werden Geräte im Subthreshold-Bereich betrieben, lässt sich die Betriebsdauer der Batterien um Monate oder Jahre verlängern. Doch worauf kommt es bei deren Umsetzung konkret an, und welche Subthreshold-Ansätze sind tatsächlich sinnvoll?

In allen Bereichen der Halbleiterindustrie steht die Senkung der Leistungsaufnahme im Fokus, besonders was batteriebetriebene Geräte in mobilen und IoT-Applikationen betrifft. Bei IoT-Endpoint-Geräten wie z.B. Wearables wird die „Laufzeit“ in Stunden oder Tagen gemessen.

Neuere Produkte sollen mehrere Wochen oder Monate ohne Wiederaufladen der Batterie laufen, und Energy Harvesting als Energiequelle wird sich auch kommerziell etablieren. Bei einigen Applikationen, z.B. in Smart Cities (Ampelanlagen, Smart-Meter, etc.) werden voraussichtlich jahrelange Batterielaufzeiten ohne Aufladen vorausgesetzt.

Seit vielen Jahren arbeiten Entwickler an Architekturen, IP und Implementierungslösungen, mit denen sich die Leistungsaufnahme in Schaltkreisen senken lässt. Bei neueren Entwicklungen versucht man sich an Technologien, die für den Betrieb der Schaltkreise selbst geringere Spannungen erfordern.

Ein Senken des Betriebsspannungspegels wirkt sich exponentiell auf die dynamische und die statische Leistung eines Schaltkreises aus. Arbeitet dieser in einem Spannungsbereich nahe des Schwellenwerts (Near-threshold) oder darunter (Subthreshold), beeinflusst dies die Leistungsaufnahme erheblich. Den Entwickler, der solche Bibliotheken und Schaltkreise entwickeln soll, stellt dieses Konzept jedoch vor etliche Herausforderungen. Viele Anbieter haben diese Herausforderungen gemeistert und bringen bereits ihre Near-/Subthreshold-Entwicklungen auf den Markt.

Von Superthreshold zu Subthreshold

Typische Betriebsbereiche eins CMOS-Transistors.
Typische Betriebsbereiche eins CMOS-Transistors. (Bild: Synopsys)

Digitale Designs basieren auf den Transistorzuständen “AN” oder “AUS”; bei AN also logischer Zustand „1“ und bei AUS „0“. Die Schwellenspannung (Threshold Voltage Vth) ist die Spannung, die nötig ist, um einen Transistor vom Zustand AUS in den Zustand AN zu schalten. In herkömmlichen Designs werden die Transistoren typischerweise oberhalb der Schwellenspannung, also im Superthreshold-Bereich, betrieben.

Wie in Bild 1 gezeigt wird, liegt die Versorgungsspannung im Subthreshold-Betrieb weit unter der Schwellenspannung der Transistoren. In diesem Bereich sind die Transistoren teils „AN“, doch niemals vollständig eingeschaltet. In der heutigen Prozesstechnik liegt dieser Bereich etwa zwischen 200 und 400mV.

Der Near-Threshold-Betriebsbereich ist der Bereich zwischen der Subthreshold- und der Schwellenspannung Vth des Transistors, also ~400-700mV..

Wird die Transistor-Versorgungsspannung in einem Design verringert, hat dies Auswirkungen auf die dynamische Leistung (Schalten der Transistoren) und die statische Leistung (Transistoren im Ruhemodus). Da sich die dynamische Leistung zum Quadrat der Betriebsspannung ändert (V2), führt ein Absenken dieser Spannung zu einer wesentlich geringeren dynamischen Leistungsaufnahme. Ebenso wird durch ein Verringern der Spannung die statische Leistungsaufnahme gesenkt, da diese sich linear zur Betriebsspannung (V) verhält.

Wenn Geräte im Subthreshold-Bereich betrieben werden, lässt sich die Betriebsdauer der Batterien um Monate oder Jahre verlängern. Ein IoT-Gerät mit einer 225 mAh CR2032-Knopfzelle läuft bei einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 1mA beispielsweise ca. 9,4 Tage. Bei einer niedrigeren durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 200 uA verlängert sich die Batteriebetriebsdauer auf 47 Tage. Besonders bei Produkten wie Wearables ist dies ein wichtiges Kriterium, da die Batterie seltener (wieder-) aufgeladen werden muss.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Hello, ULPBench results are generally freely available under the following URL:...  lesen
posted am 18.04.2017 um 08:37 von Sebastian Gerstl,Sebastian Gerstl

Hi Rich, do you have EEMark (TM) data according to the benchmark developed with EEMBC(R), the...  lesen
posted am 13.04.2017 um 13:44 von Unregistriert


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44616985 / Mikrocontroller & Prozessoren)