Energieeffizienz An der Schwelle einer Low-Power-Revolution

Autor / Redakteur: basierend auf Material von Ambiq Micro / Sebastian Gerstl

In Embedded- und IoT-Anwendungen ist Energieeffizienz entscheidend. Subthreshold Power Optimized Technology (SPOT) hat das Potenzial, den Stromverbrauch kommender Mikrocontroller erheblich zu senken.

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Blockschaltbild: Die Apollo-MCU von Ambiq Micro
Blockschaltbild: Die Apollo-MCU von Ambiq Micro
(Bild: Ambiq Micro)

Der Energieverbrauch ist heute bei der Entwicklung von Wearables und Embedded Systemen der entscheidende Faktor und hat in dieser Hinsicht die Leistungsfähigkeit als Hauptkriterium abgelöst. Ein geringerer Strombedarf erhöht die Batterielebensdauer und/oder erlaubt eine leichtere Batterie, was nicht nur die Kosten minimiert, sondern auch die Gerätegröße verkleinert. Im Idealfall wäre es sogar möglich, Energy Harvesting als Energiequelle zu verwenden und auf Batterien zu verzichten.

Eine solch drastische Reduzierung des Energieverbrauchs erfordert aber eine neue Herangehensweise an das Logikdesign. Eine Alternative zum herkömmlichen Logiktransistor-Design ist SPOT (Subthreshold Power Optimized Technology). Dieser Ansatz arbeitet mit wesentlich niedrigeren Spannungspegeln. In herkömmlichen Designs gibt es eine Schwellenspannung, bei der Schaltkreise als „Eingeschaltet“ (Logische 1) betrachtet werden. Unterhalb dieses Wertes werden sie als „Ausgeschaltet“ (Logische 0) betrachtet. Die Ansteuerung von Transistoren erfolgt daher mit bis zu 1,8 V, um den eingeschalteten Zustand herzustellen. Dies stellt sich nicht so binär dar, wie es sein sollte.

Selbst unter der Schwellenspannung (bei etwa 1 V) findet ein Stromfluss statt. Dieser Leckstrom wird üblicherweise eher negativ gesehen. Durch Ambiq Micros SPOT-Ansatz ist es möglich, ein „Ein“-Signal aus diesem Stromfluss zu beziehen. Da der Energieverbrauch direkt proportional zum Quadrat der angelegten Spannung ist, lässt sich somit eine erhebliche Energieeinsparung erzielen. Wird zum Beispiel ein Betrieb bei 0,5 V erzielt, bedeutet dies eine 13-fache Verringerung des Energieverbrauchs. Bei einer noch niedrigeren Subthreshold-Spannung von 0,3 V ergibt sich sogar eine Verbesserung um das 36-fache.

Optimierter Stromverbrauch durch Einsatz des M4F-Cores

SPOT bildet die Grundlage der Apollo-Mikrocontroller von Ambiq Micro. Dabei handelt es sich um die branchenweit ersten MCUs, die sich überwiegend auf einen Subthreshold-Transistorbetrieb stützen. Die Bausteine bieten damit 30 uA/MHz Stromverbrauch im Aktivmodus und einen Standby-Strom von nur 100 nA. Ebenso interessant war die Wahl eines ARM Cortex-M4F-Cores für diese MCUs. Im Gegensatz zu anderen „Low-Power“-MCUs, die meist mit einem ARM Cortex-M0+-Core ausgestattet sind, hat sich Ambiq Micro bewusst für den M4F-Core entschieden – aus zwei Gründen.

Zum Einen ermöglicht die Subthreshold-Technologie auf Schaltkreisebene die Wahl des M4F anstelle des M0+, ohne Leistungseinbußen hinnehmen zu müssen. Damit ist der Stromverbrauch der M4F-basierten Apollo-MCU wesentlich geringer als bei allen anderen M0+-basierten MCUs. Der zweite Grund ist, dass die Zielmärkte von Ambiq (Wearables und IoT) zunehmend Sensoren und komplexe Algorithmen erfordern. Der M4F-Core ist für diese Anwendungen von großem Vorteil, da Befehle wesentlich schneller ausgeführt werden können als mit einem M0+-Core. Damit ergibt sich die bestmögliche Lösung: ein Stromverbrauch, der unter konkurrierenden M0+-Lösungen liegt und die Leistungsfähigkeit eines M4F-Prozessors.

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