Figura 1: Harta tehnologiilor de procesare față de curenții activi și de scurgere
În lumea de astăzi, din ce în ce mai conectată, suntem tot timpul în fața unui mare număr de cerințe aflate în contradicție, pe care proiectul nostru trebuie să le echilibreze. Clienții de astăzi solicită produse din ce în ce mai complexe, cu performanțe mai ridicate și funcții mai avansate, în vreme ce, în același timp, solicită reducerea consumului energetic cauzat de aplicație și desigur, toate acestea cu costul de sistem cel mai mic posibil.
Utilizând tehnologiile de procesare standard COMS disponibile astăzi, proiectanții de microcontrolere trebuie, de asemenea, să ia unele decizii dure în legătură cu designul, cu un echilibru între performanțe/integrare și consum energetic, în special cu privire la curentul de standby (în modul de așteptare) al dispozitivului.
Putem alege să utilizăm un nod de procesare avansat, tipic de 40nm sau chiar mai mic, astăzi, cu avantajul de a fi capabili de a oferi produse cu nivele înalte de integrare de periferice, cu memorii flash pe cip mari, de 2Mbyte sau poate mai mult, împreună cu performanțe ridicate, operarea la mai mult de 200MHz nefiind neobișnuită pentru un astfel de proces. Totuși, în timp ce curentul activ de comutație al unui astfel de proces este în mod tipic foarte scăzut, să zicem în jurul a 50 – 100µA/MHz, scurgerea de curent de la fiecare poartă într-un asemenea proces mic este foarte ridicată, rezultând curenți de mod de așteptare extrem de ridicați, tipic de 10 – 100µA sau mai mult.
Dacă am dori să dezvoltăm dispozitive cu pierderi de curent mai mici, deci cu moduri de curenți de standby mai mici, atunci trebuie în mod uzual să alegem geometrii de proces mai mari, dar cu limitări în ceea ce privește performanțele și nivelul de integrare de memorie și alte periferice.
În figura 1 puteți observa valorile tipice obținute pentru o gamă de tehnologii de procesare disponibile astăzi pe piață.
Figura 2: Comparație între caracteristicile SOTB și alte geometrii de proces
Figura 3: Structură hibridă SOTB
Sub patronajul inițiativei guvernamentale japoneze LEAP (Low power Electronics Association and Project), Renesas a dezvoltat o nouă tehnologie de realizare de semiconductoare pentru a se adresa acestei probleme, acesta fiind denumită SOTB (Silicon On Thin Buried Oxide) – prin aplicarea siliciului pe o peliculă subțire de oxid de siliciu. Caracteristicile unice ale acestui proces pe siliciu ne permite să rupem legătura între geometria procesului și consumul energetic, pentru a dezvolta dispozitive care să dispună de cei mai buni curenți activi reduși și cele mai mici pierderi de curent. Utilizând tehnologia SOTB putem, de asemenea, realiza dispozitive care oferă performanțe ridicate, precum și nivele înalte de memorie și integrare de periferice. În figura 2 puteți observa o comparație între SOTB și diferite geometrii de proces.
Unul dintre cele mai mari progrese oferite de dezvoltarea acestei tehnologii a fost abilitatea de a realiza o structură hibridă de siliciu, unde putem combina în același proiect avantajele noii tehnologii SOTB și tehnologiile standard pe siliciu brut, acest lucru permițându-ne utilizarea ambelor tehnologii în același dispozitiv.
Acest lucru înseamnă că putem utiliza noua tehnologie SOTB în părțile de design ale cipului în care este necesar un consum energetic ultra-redus, dar putem utiliza siliciu standard pentru funcții precum inel I/O și componente analogice, astfel încât proiectanții pot încă să lucreze cu dispozitivele care au caracteristici electrice similare cu microcontrolerele existente astăzi, cu care sunt obișnuiți să lucreze. În figura 3 puteți observa structura arhitecturii ce se bazează pe tehnologia SOTB.
Această imagine prezintă, de asemenea, unele avantaje ale structurii poartă SOTB, într-un proiect tradițional de poartă pe siliciu brut, la care, în timpul procesului de fabricație, a trebuit să fie injectate impurități pe canal sau atomi dopanți în siliciu, permițând porții să conducă atunci când este necesar. Numărul de atomi injectați în fiecare poartă este extrem de greu de controlat cu precizie, iar acest lucru conduce la o variație a caracteristicilor porții, în special cu geometrii de siliciu mai mici, unde numărul de atomi implicați este extrem de mic, uneori în jurul a 100 de atomi. Acest lucru înseamnă că poate exista o variație semnificativă a numărului de atomi dopanți în fiecare poartă, aceasta conducând la o variabilitate semnificativă în caracteristicile de comutație ale fiecărei porți din dispozitiv.
Figura 4: Comparație praguri pentru tehnologiile SOTB și standard
Poarta SOTB este un design cu canal fără dopare, caracteristicile porții fiind controlate prin stratul izolator extrem de subțire din poartă, care utilizează tehnologii de procesare moderne, extrem de bine controlate și, de aceea, cu mare repetabilitate în dispozitiv.
Aceasta înseamnă că variațiile între porți sunt mult mai mici față de designul de poartă tradițional cu siliciu brut. După cum se va vedea imediat, această reducere a variației dintre porți pe un dispozitiv SOTB ne permite să reducem substanțial tensiunea de operare și, de aici, și energia utilizată pentru comutarea porții.
În figura 3 puteți observa, de asemenea, un alt avantaj al tehnologiei SOTB și anume că există posibilitatea de a aplica o tensiune negativă de reacție pe fiecare poartă, dând posibilitatea de a manipula pragurile de comutație ale fiecărei porți de pe dispozitiv, fie individual, fie pe întreg dispozitivul.
Figura 4 prezintă o comparație între un dispozitiv SOTB și un dispozitiv realizat printr-o tehnologie standard pe siliciu brut. Liniile roșii arată domeniul caracteristicilor de comutație pentru o implementare de dispozitiv tipică pe o tehnologie pe siliciu brut, unde putem vedea variația pragurilor de comutație între 1 milion de tranzistoare individuale de pe dispozitivul de testare. Puteți vedea în diagramă că cele mai bune porți vor comuta la aproximativ 0.3V, în vreme ce, datorită variabilității inerente a procesului, cele mai proaste porți vor comuta în zona de 0.7V. Aceasta înseamnă că, pentru a se garanta operarea fiecărei porți a dispozitivului, trebuie să se opereze la tensiuni mult peste 1V. Acest lucru are desigur un impact direct asupra puterii consumate de dispozitiv.
Linia albastră din figura 4 prezintă caracteristicile porții SOTB, unde puteți observa uriașa reducere a variabilității și domeniul îngust al caracteristicilor de comutație care pot fi atinse cu ajutorul acestui proces. Cu dispozitive bazate pe tehnologia SOTB se poate opera în siguranță la tensiuni mult mai mici și se poate garanta că fiecare poartă va opera corect, conducând la o reducere uriașă a valorii consumului de putere activă.
Linia verde din figura 4 prezintă rezultatul reacției ce este aplicată, acest lucru putând pune individual porțile într-o stare cu pierdere extrem de redusă, permițând astfel plasarea unei părți a dispozitivului sau a întregului dispozitiv într-o astfel de stare, reducând substanțial curentul de mod de așteptare.
Rezultatul acestei noi tehnologii este acela că se poate dezvolta o nouă generație de microcontrolere, care combină cele mai bune calități ale dispozitivelor cu geometrie mică cu nivelul lor ridicat de integrare și ale dispozitivelor cu geometrie mai mare cu pierderi mici de curent.
Figura 5: Primul microcontroler care utilizează tehnologia SOTB
Renesas a finalizat acum dezvoltarea primului microcontroler care utilizează tehnologie SOTB, iar această tehnologie permite producerea unui dispozitiv cu o combinație unică de performanță, integrare și consum energetic. Primul dispozitiv combină un nucleu Cortex M0+ ce rulează până la 64 MHz cu un înalt nivel de integrare de periferice și până la 1.5Mbyte de memorie flash și 256 Kbyte de memorie SRAM pe cip.
Utilizarea tehnologiei SOTB pe acest nou dispozitiv a condus la unele caracteristici unice de mică putere, iar primul dispozitiv are caracteristicile de mai jos, dispozitivele viitoare ce utilizează această tehnologie putând oferi un consum și mai mic de putere.
• Curent activ de 20µA/MHz
• Curent de mod de așteptare de 200nA
• Operare convertor analog/digital la 3µA
• Memorie SRAM de 256Kbyte cu un curent de mod de așteptare de 1nA/Kbyte
În figura 5 puteți observa diagrama bloc a acestui prim dispozitiv care utilizează noua tehnologie SOTB – Renesas R7F0E017.
Noul Renesas R7F0E017 cu combinația sa unică de memorie flash mare pe cip și SRAM pe cip, împreună cu nivelele de consum de ultra joasă putere, vor face acest dispozitiv ideal pentru o gamă largă de aplicații, precum dispozitivele purtabile și o varietate mare de aplicații casnice, industriale și medicale.
Utilizarea tehnologiei SOTB oferă posibilitatea de utilizare a acestor dispozitive în aplicații care recuperează energie din mediu, iar cu acest lucru în minte, R7F0E017 include un controler unic de recoltare a energiei, care permite ca energia să fie recuperată dintr-o gamă largă de surse de energie regenerabilă și, totodată, permite dispozitivului să controleze automat o baterie externă reîncărcabilă sau un super-condensator.
Dezvoltarea tehnologiei SOTB (Silicon on Thin Buried Oxide) va permite dezvoltarea nu numai a unei noi clase de microcontrolere de ultra joasă putere, potrivite pentru noua generație de aplicații conectate, dar și a unei noi game de aplicații de recuperare energetică care vor furniza soluții unice pentru cele mai dificile aplicații de joasă putere.
Mostre de R7F0E017 cu o suită completă de unelte de dezvoltare vor fi disponibile clienților Beta în prima parte a anului 2019, iar mostre, general disponibile, din a doua jumătate a anului 2019.
Autor: Graeme Clark, Renesas Electronics
www.renesas.com