På tröskeln till något stort

Jag kunde kanske kört min gamla favoritrubrik: ”CMOS vann igen”, men den här gången fanns det egentligen inte någon riktig motståndare. CMOS blev helt enkelt bara ännu bättre.

Det handlar alltså om låg energiförbrukning och om finska Minima Processors teknik för att vrida åt kranen ett par varv till genom att dynamiskt närma sig tröskelspänningen. Då går det att minska energiförbrukningen dramatiskt.

CMOS är bra
Som alla säkert vet vid det här laget är CMOS en ganska fantastisk process. Vi som var med på åttiotalet kommer fortfarande ihåg när CMOS slog ut NMOS och hur allt blev så mycket bättre. De som inte var med på åttiotalet har väl knappast sett särskilt mycket annat än CMOS, utom för enstaka specialområden.

Med CMOS och en rad smarta konstruktionstrick gick det att hålla ner energiförbrukningen så att mikroprocessorerna inte brann upp eller så att enkapseldatorerna kunde klara sig i åratal på ett litet batteri. För varje processgeneration brukar man peka på ökade läckströmmar, men om man bara kan hålla matningsspänningen tillräckligt låg går det att glida förbi det problemet. Däremot är det svårt att kombinera extremt låg energiförbrukning med höga klockfrekvenser.

Tröskelspänning
Matningsspänningen för CMOS-kretsar låg en gång i tiden på 5 V, men har steg för steg minskats till dagens ca 1 V för fina geometrier. Lägre spänning ger lägre energiförbrukning per operation, samtidigt som 1 V är tillräckligt högt för att klara höga frekvenser (återigen vid fina geometrier).

Men för den som vågar minska matningsspänningen ännu mer finns det mycket att vinna. Energiförbrukningen per operation kan minskas till bara några få procent av normalförbrukningen om man går under 0,5 V.

Ett problem är förstås att maxfrekvensen också minskar, men i applikationer där det räcker med klockfrekvenser på några MHz är det inga större problem. Att sänka matningsspänningen ner till tröskelspänningen verkar alltså vara ett självklart sätt att konstruera extrema lågenergikomponenter.

Processvariationer
Men tyvärr uppstår också en del andra problem när matningsspänningen sänks. Framför allt drar processvariationer och temperaturvariationer iväg något alldeles otroligt. Processutbytet kan bli dåligt och temperaturområdet begränsat för den här typen av konstruktioner. För att inte tala om svårigheterna med att verifiera konstruktionerna.

I praktiken tvingas man använda processbibliotek med mycket stora marginaler för att vara säker på att inga grindar blir för långsamma och orsakar fel. Det innebär att man inte fullt ut kan dra nytta av möjligheterna.

Dynamisk kontroll
Minima Processor har löst problemen med något av ett Alexanderhugg. Man lägger ”helt enkelt” in lite hård- och mjukvara för att kontrollera vad som är möjligt vid ett givet tillfälle. Spänningen sänks till lägsta säkra nivå och man behöver inte ta till marginaler för osäkerhet. Komponenten håller själv reda på vad som är möjligt.

Systemet ger också en mekanism för att variera prestanda i förhållande till behovet. En konstruktion kan köras med låg spänning och låg frekvens under större delen av tiden. De korta tider då stora mängder data måste behandlas kan spänning och frekvens höjas. Så här fungerar de flesta IoT-konstruktioner, men Minima gör det möjligt att sänka energiförbrukningen i viloläge ännu mycket mera.

RISC-kärna
Det har talats en hel del om Minima Processors samarbete med ARM, men frågan är om inte företagets RISC-V-kärna är ännu intressantare. Minima Processor är en av grundarna av RISC-V Foundation och företagets RV32-implementering är verkligt intressant. Eller vad sägs om 16 µW vid 15 MHz, 0,5 V och 25 °C.

Vid 0,7 V ökar frekvensen till 50 MHz, medan effekten ökar betydligt mer än så, till 112 µW. Och vid 0,9 V blir det möjligt att köra processorn i 90 MHz, men effekten ökar till 687 µW.

Lättare att konstruera
Den stora finessen med Minima Processors Alexanderhugg är att det blir väldigt mycket lättare att göra konstruktioner som arbetar i närheten av tröskelspänningen. Konstruktion, verifiering och test har annars varit en stor barriär för de företag som försökt sig på att tillverka kommersiella komponenter med mycket låga matningsspänningar. Arbetet tar helt enkelt alldeles för lång tid.

Idag är det framför allt specialkomponenter för hörapparater som arbetar med spänningar runt tröskelspänningen, men om Minimas teknik håller vad den lovar kan vi nog få se många standardkomponenter och SoC-komponenter dra nytta av möjligheterna. Dramatiskt ökad batterilivslängd är ett argument som biter.

Videosnutt
På Youtube finns en snabb introduktion av tekniken gjord av Minimas teknikchef, Lauri Koskinen. Ljudet är visserligen uselt, men ämnet är intressant. Klicka här för att titta.

Och jag kan nog utan vidare lova en fortsättning i ämnet.

One Response to “På tröskeln till något stort”

  1. Du glömde problemet med rippelkrav på matningsspänningen. Redan idag, vid 1V, sliter kraftkonstruktörerna sitt hår i frustration. Att hålla +/- 3% på en spänning under 0.5V är nog ingen lätt match. Dom lär nog bli skalliga hela bunten.