在设计可携式系统时，功耗是一项关键性因素，它甚至取代了性能，而成为产业发展的推动力量。降低功耗能够延长电池寿命以及允许使用更小、更轻的电池，不仅可最大限度地降低成本，还可缩小设备的尺寸，增强对用户的吸引力。在理想情况下，甚至有可能开始考虑采用能源采集(Energy Harvesting)作为电力的来源，以完全取代电池。
不过，显著减少功耗须要大幅转变逻辑的设计方式。亚阈值功率优化技术(Subthreshold Power Optimized Technology, SPOT)是一种与传统逻辑晶体管设计不同的方法，在远远低于被视为正常的电压位准之下运作。
在传统设计中，会有一个使得电路被认为是「开」的阈值电压，而任何低于这个数值的电压则被视为是「关」。这通常意味着要将晶体管驱动到最高1.8伏特(V)电压，以建立一种「开」的状态，虽然它看起来像是二进制，但实际上并非如此。
即使在低于阈值电压的约1.0伏特电压亦存在着电流流动，然而，传统上不认为这些泄漏电流是好事。但透过使用SPOT方法，实际上可以从电流中提取一个「开」讯号，由于功耗与所施加电压的平方成正比，因此可以达到相当显著的功率节省(图1)，例如达到0.5伏特运作电压便可以实现高达13倍的功率节省；进一步使用0.3伏特亚阈值电压，更可以实现36倍的改善。
SPOT技术加持 催生Apollo控制器
Ambiq Micro一直都是以SPOT技术来开发Apollo系列微控制器，这是首款十分依赖亚阈值电压晶体管运作的微控制器(MCU)组件。此一解决方案在工作模式下有低至30μA/MHz的耗电，而在待机模式下则是100奈安培(nA)电流。有趣的是，这款解决方案选择安谋国际(ARM)Cortex M4F核心。与传统上选择使用安谋国际Cortex-M0+核心的其他低功率微控制器不同，Ambiq特意选择M4F核心有以下两个主要原因：
第一，亚阈值电路技术让Ambiq可以在不增加额外功耗的前提下采用M4F核心。基于M4F的Apollo微控制器功耗远低于所有其他M0+解决方案，便是最好的证明。
第二是在穿戴式产品和物联网(IoT)等主要市场中，越来越依赖大量的传感器和复杂算法。采用M4F核心有一个很大的优势，因为其效能比M0+高得多，可以更快执行完指令。
Apollo系列微控制器的设计，开始于所有逻辑单元都将使用SPOT技术的假设，并透过智能决策决定何处不可行或不需要SPOT技术。在某些情况下，超阈值(Superthreshold)电压是完全可以接受的。
例如，若这是正好在启动(Boot Up)时发生的事件，然后这些晶体管便可以完全处于传统的超阈值域，因为这对组件的整体能耗没有影响。在其他需要更快速获取信令信息(Signaling Information)的场合，能够提高电压来提供充足的性能。这意味着Apollo系列在超阈值电压下运行的比例很小，组件大部分都是在近阈值或亚阈值域运行。
SPOT概念先进 须有全新配套
SPOT技术的一项关键要求是实作时必须采用标准的主流互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术，由于这需要全面了解低电压情况下的泄漏特性，所以实际上很难做到。
晶圆代工厂很难精确地针对泄漏特性建模，因为它们并未预期人们会在这么低的电压下操作组件。这需要多年的芯片测试和晶圆片定期代工(Wafer Shuttle)的经验，才能全面建立这些亚阈值域的模型，以及建立它们如何随温度、制程漂移和噪声影响而改变的模型。所有这些参数在这样低电压域下是高度敏感的，因此必须先完成许多工作和建模，才能真正了解这些效应的影响。
然而，建立低电压特性的模型仅是第一步，更艰难的事情是建立一套动态的可适应性电路(Adaptive Circuit)，以解决这些存在于亚阈值域的许多问题。真正理解亚阈值的效应，从而构建全新的模型和客制化单元库，可以设计出同时具备动态及可适应性特性的专利电路，以协助克服在低电压域出现的某些负面效应。
制程的后段工作也是一项挑战。符合产业标准的测试仪未能在使用亚阈值技术所产生的picoAmp和nanoAmp水平进行测试工作，因此还须要开发特别的负载板和测试夹具。
简而言之，这种创新亚阈值技术的实施方案需要一种全新的思路，涵盖从晶体管直到评估套件的整个设计流程，它还需要完全不同的结构思维方式，以获得更大的节能成效。Apollo系列组件可减少的能耗多达10倍，让系统设计人员在其设计中拥有前所未见的更大灵活性和更长电池寿命。
(本文作者为Ambiq Micro高级营销总监)
来源：新电子
