FD-SOI: Wie Körperbeherrschung zu einzigartiger Differenzierung führt

Von: Manuel Sellier

Vollständig verarmtes Silizium-auf-Isolator (FD-SOI) beruht auf einem einzigartigen Substrat, dessen Schichtdicken auf atomarer Ebene kontrolliert werden. FD-SOI bietet eine bemerkenswerte Transistorleistung in Bezug auf Energie, Leistung, Fläche und Kosten (PPAC) und ermöglicht es, mit einer einzigen Technologieplattform digitale Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch bis hin zu hoher Leistung abzudecken. FD-SOI bietet zahlreiche einzigartige Vorteile, darunter die Fähigkeit zur Versorgung nahe der Schwelle, eine extrem niedrige Strahlungsempfindlichkeit und eine sehr hohe intrinsische Transistorgeschwindigkeit, was sie vielleicht zur schnellsten RF-CMOS-Technologie auf dem Markt macht. Zusätzlich zu diesen Vorteilen ist FD-SOI die einzige CMOS-Technologie, die die Möglichkeit bietet, die Schwellenspannung der Transistoren dynamisch durch Body Bias zu steuern (Abbildung 1).

Um zu erläutern, warum Body Bias eine so bahnbrechende Funktion ist, beginnen wir mit den Problemen, die sie zu lösen hilft. Auf der Suche nach einer höheren Energieeffizienz sehen sich Digitalentwickler mit zwei großen Herausforderungen konfrontiert. Die erste bezieht sich auf die Auswirkungen von Variationen, die die eigentliche Chipspezifikation, die durch die Extremfälle von Variationen (die so genannten "Ecken") definiert wird, verändern. Dies führt in der Regel zu einer erheblichen Verschlechterung der Energieeffizienz des Chips (siehe Abbildung 2). Um die Energieeffizienz zu optimieren, setzen Produktingenieure daher häufig Kompensationstechniken ein (vgl. Abbildung 3). Die gebräuchlichste Kompensationstechnik basiert auf der adaptiven Spannungsskalierung (AVS), d. h. auf dem Spiel mit der Höhe der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Prozesszentrierung des Chips. Diese Technik ist in Mobiltelefonen zur Prozesskompensation weit verbreitet, stößt aber auf dem Automobil- und IoT-Markt auf erhebliche Einschränkungen, da sie sich stark auf die Zuverlässigkeit auswirkt, eine effiziente Temperatur- und Alterungskompensation schwierig zu implementieren ist und die meisten Entwicklungsunternehmen über neues und spezifisches Design-Know-how verfügen müssen.

Das zweite Problem liegt in der Optimierung des Energieverbrauchs. Mit der fortgeschrittenen Technologie ist die Skalierung der Leckleistung höchstwahrscheinlich das kritischste zu lösende Problem geworden. Es ist wichtig, die Höhe der Leckleistung mit der Höhe der dynamischen Leistung in Einklang zu bringen. Bei CMOS-Technologien sind die Parameter, die die Leckleistung bestimmen (Vth, Gate-Länge), jedoch meist statisch und durch den Prozess definiert. Es gibt daher keine Möglichkeit zur adaptiven Leckageoptimierung, außer durch Abschaltung ganzer Teile der Schaltung. Der Energiepunkt, d. h. das Gleichgewicht zwischen dynamischer und Leckleistung, ist fest vorgegeben und kann nicht dynamisch verändert werden.

Durch die Steuerung der Transistorschwellenspannung wirkt die Body Bias wie ein Regler, mit dem sich die meisten der oben genannten Probleme lösen lassen, mit denen sich Entwickler konfrontiert sehen, die auf Energieeffizienz abzielen.

Globale Schwankungen können nicht nur sehr effizient abgemildert werden, sondern, was noch wichtiger ist, die Designer können ihre Chips mit reduzierten Design-Ecken für Prozess, Temperatur und Alterung entwerfen und den Kompromiss zwischen Leistung, Performance und Fläche (PPA) bereits bei der Synthese verbessern.

Die Leckage, die exponentiell von der Schwellenspannung abhängt, kann nun dynamisch mit Body Bias verändert werden. Die Energieoptimierung kann dynamisch durchgeführt werden, indem gleichzeitig mit der richtigen Höhe der Versorgungsspannung und der Vorspannung gespielt wird. Der daraus resultierende Gewinn an Energieeffizienz ist doppelt so hoch bei nominaler Vdd und kann bis zum 6-fachen bei ultra-niedriger Spannung ansteigen.

Um Body Bias auf Schaltkreisebene effizient zu implementieren, muss die derzeitige Power-Management-Infrastruktur, die nur die Versorgungsspannung nutzt, geändert werden, um Power-Management-Lösungen zu unterstützen, die sowohl die Versorgungsspannung als auch Body Bias verwalten können.

Dolphin Integration hat in den letzten zwei Jahren mit GF zusammengearbeitet, um die weltweit erste Power-Management-IP-Plattform zu entwickeln. Diese Power-Management-IP-Plattform, die sich nun im 22FDX bewährt hat, besteht aus einem konsistenten Satz konfigurierbarer Spannungsregler, skalierbarer und modularer Power-Management-Einheiten (auch bekannt als PMU-Logik/ACU), Power-IOs und Insel-Gating sowie Spannungsüberwachern.

Damit SoC-Designer das volle PPAC-Potenzial von FD-SOI für ihre SoCs nutzen können, untersuchen die Unternehmen jetzt die Erweiterung dieser Power-Management-IP-Plattform, um die dynamische Steuerung der Stromversorgung und des Body Bias zu ermöglichen. Diese erweiterte Power-Management-IP-Plattform wird die bestehenden Body-Bias-Lösungen nutzen und sie durch anwendungsoptimierte Body-Bias-Generatoren und fortschrittliche Überwachungstechniken ergänzen (siehe Abbildung 5).

Das Vorhandensein dieser Art von Lösungen auf dem Markt trägt dazu bei, dass FD-SOI bei stromsparenden und energieeffizienten Anwendungen besser abschneidet als jede andere Technologie mit PPA. Noch wichtiger ist, dass die Verfügbarkeit einer schlüsselfertigen Body-Bias-Lösung die Einstiegshürden erheblich senkt und dieses FD-SOI-Wertversprechen allen Akteuren zugänglich macht, von Mobilgeräten über IoT bis hin zu Automobilen.

Der Wert von FD-SOI liegt in der Fähigkeit, Body Bias zu nutzen, was im Vergleich zu bestehenden Technologien einen völlig neuen Ansatz in der modernen CMOS-Landschaft darstellt. FD-SOI ist ein Game-Changer, der die Energieeffizienz um eine Größenordnung verbessert. Mit der Unterstützung von Silizium-IP-Anbietern wie Dolphin Integration werden den Kunden neue Infrastrukturen für das Management von Stromverbrauch, Leistung und Zuverlässigkeit zur Verfügung stehen, um die Vorteile dieser Technologie in vollem Umfang zu nutzen und den Weg für künftige Leistungsstandards in IoT und Automotive zu ebnen.