ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT

IN FOCUS

Suojaa datasi kunnolla

SSD-levyt tarjoavat luontaisesti korkean luotettavuuden kaikentyyppisiin sovelluksiin, aina aloitustason kuluttajalaitteista kriittisiin järjestelmiin. Asianmukaiset tietosuojamekanismit voivat maksimoida levyn käyttöiän toteuttamalla ennaltaehkäiseviä toimenpiteitä tarpeen mukaan, kertoo Silicon Motion artikkelissaan.

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

logotypen

TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

TECHNICAL ARTICLES

Lähellä kynnysjännitettä tulee isoja haasteita

Tietoja
Kirjoittanut Qian Yu, ARM
Julkaistu: 19.04.2016
  • Suunnittelu & ohjelmointi

Kynnysjännite on alhaisin jännite, jolla transistorista tulee johtava. Ohjainpiireissä käyttöjännitteissä lähestytään tätä rajaa, mutta samalla kehitys tuo monenlaisia haasteita. Ne ovat kuitenkin ratkaistavissa, kertoo englantilainen ARM.

Artikkelin kirjoittaja Qian Yu toimii englantilaisen ARM:n teknisen markkinoinnin päällikkönä. Hän on työskennellyt Broadcomilla elektroniikka-suunnittelijana vuosina 2002-2004 ja Alteralla vuosina 2004-2005. ARM:lle Qian tuli suunnittelijaksi kesäkuussa 2006. IoT-ratkaisujen kehityksestä vastaavana markkinointipäällikönä hän aloitti kesällä 2011. Hänellä on elektroniikkasuunnittelijan tutkinto Berkeleyn yliopistosta sekä markkinointitutkinto Santa Claran yliopistosta.

Esineiden internetiä varten kehitettyjen tuotteiden ja sovellusten määrä kasvaa nopeasti. Sen seurauksena IoT-sovelluksiin sopivien järjestelmäpiirien kysyntä on kova. Tämä pätee erityisesti ns. loppupään laitteisiin kuten anturisolmuihin ja WiFi- ja BLE-pohjaisiin (Bluetooth Low Energy) radioihin ja verkkoihin. Näitä näkee laajassa valikoimassa sovelluksia äänen käsittelystä ympäristöä valvoviin anturisolmuihin ja erityisesti energiankeruun järjestelmiin. Monet näistä sovelluksista täytyy sähköistää pienen energiatiheyden nappiparistotyyppisillä akuilla, joiden pitää kestää kuukausia tai vuosia. Tuntien tai päivien toiminta-aika, johon olemme älypuhelimissa tai muissa kannettavissa laitteissa tottuneet, ei vain riitä.

Selvästi tämä tarkoittaa, että energiankulutukselle on selvästi ankarammat vaatimukset. Yksi tapa saavuttaa riittävän alhainen energiankulutus alhaisilla toimintojännitteillä on vähentää virrankulutusta aktiivitilassa ja vuotovirtoja niin, että päästään minimienergiankulutukseen (MEP, minimum energy point).

ARM:n tavoite – itse asiassa koko elektroniikka-alan tavoite – on mahdollistaa se, että puolijohdetoimittajat ja järjestelmäpiirien suunnittelijat pääsevät mahdollisimman alhaiseen tehonkulutukseen ja mahdollisimman pitkään toiminta-aikaan akkuteholla IoT-päätelaitteissa. ARM uskoo, että kehittämällä lähellä kynnysjännitettä (near threshold voltage) toimivia markkinoiden vähävirtaisimpia IP-ytimiä voidaan saavuttaa tämä tavoite.

Haasteet

ARM on jo toteuttanut useita edistyneitä tutkimus- ja tuotekehitysprojekteja, joissa tarkastellaan piirien toimintaa kynnysjännitteen lähellä (500-700 mV), kynnysjännitteen alla (350-500 mV) ja selvästi kynnysjännitteen alla (alle 350 mV). Tärkeä osa tutkimusta oli määrittää se minimijännite, joka vaaditaan toteuttamaan laskentatehtävä ilman, että virran huippuraja ylitetään. Todellisuudessa alhaisin mahdollinen jännite ei vastaa optimaalista tai minimaalista energiapistettä (ks. kuva 1), koska aktiivisen ja vuototehon yhdistelmä hyvin alhaisilla jännitteillä voi johtaa suurempaan energiankulutukseen. Kun jännite putoaa lähelle kynnysjännitettä tai sen alle, vuotovirta itse asiassa ennemmin kasvaa kuin pienenee. Toinen aspekti on, että kun jännite putoaa, tarvitaan enemmän aikaa tehtävän suorittamiseen, mikä myös johtaa vuotojen lisääntymiseen.

Minimienergiapistettä (MEP) ei välttämättä saavuteta pienimmällä mahdollisella jännitteellä, mikä johtuu dynaamisesta kytkentään kuluvan energian ja alhaisilla jännitteillä lisääntyvien vuotovirtojen yhdistelmästä.

Tämän päivän sopimusvalmistajien PDK-suunnittelupakettien (Process Design Kits) tilastolliset mallit on tyypillisesti optimoitu noin 1-0,9 volttiin ja ne ovat kestäviä ja tarkkoja. Simuloinnit ovat kuitenkin osoittaneet, että transistorien tyypillinen Gaussin käyrään perustuva jako hajoaa alhaisemmilla jännitteillä. Esimerkiksi TSMC:n prosessisäännöt eivät takaa toimintaa yli 20 prosenttia prosessin nimellistä jännitettä alhaisemmassa jännitteessä. On selvää, että kynnysjännitteen lähelle menevän suunnittelun mahdollistaminen edellyttää, että sopimusvalmistajien täytyy optimoida prosessinsa alhaisemmilla jännitteillä luomalla tarkempia malleja ja vähentämällä tilastollista vaihtelua alhaisemmilla jännitteillä.

Toinen kysymys on, josko tämänhetkisten EDA-suunnittelutyökalujen oletukset esimerkiksi ajoituksen suhteen käyttävät oikeita tilastollisia malleja analyysiin lähellä kynnynjännitettä. Työkalu saattaa olettaa, että käyttäjän kirjasto operoi vain +/- 20 prosentin päässä sopimusvalmistajan prosessisääntöjen määrittelemästä jännitealueesta (voltage domain).

Lisäksi standardisoluarkkitehtuuria täytyy muokata, koska jotkut peräkkäiset solut kuten pinotut solut eivät toimi lähellä kynnysjännitettä. Tämän standardisolujen optimoinnin yhteydessä tulee muita huomioon otettavia toteutuskysymyksiä (implementation), kuten piirin virtaregulointi. Tämä tarkoittanee todennäköisesti, että lähellä kynnysjännitettä toimivan logiikan suunnittelun tarvitaan uusia tekniikoita. Joka tapauksessa joudutaan tekemään kompromisseja (trade-offs) käytetyn piialan, tehonkulutuksen ja suorituskyvyn suhteen.

Sitten on vielä muistikysymys. Siinä missä logiikan toteutus on vielä aika suoraviivaista, muistit – erityisesti sulautettu SRAM – vaativat korkeampia jännitteitä kirjoitus- ja lukuoperaatioihin sekä tallennettujen arvojen säilyttämiseen. Korkeamman tason jännitteiden vaihtelua tarvitaan monimutkaisemmissa suunnitteluissa, joissa muistia ympäröi alhaisemmalla jännitteellä toimiva logiikka. Lisäksi voidaan ennustaa, että jatkossa pitää kehittää suurempia, räätälöityjä muistisoluja, joilla voidaan toteuttaa suurempia muisteja. Tämä tarkoittaa, että joudutaan tekemään kompromisseja ideaalisen minimienergiankulutuksen ja muistisolun vakauden välillä.

Tulevaisuuden kehitystarpeet

Kaikki nämä tekijät huomioonottaen - toteutus ja piirientestaus standardeilla EDA-työkaluilla ja IP-lohkoilla – ARM on tullut siihen johtopäätökseen, että lähellä kynnysjännitettä toimiva IP voidaan tuotteistaa haasteista huolimatta.

Yhtiö on jo kehittänyt monia logiikka-IP-kirjastoja, jotka tukevat useita toimintajännitealueita 55 nanometristä aina 14 nanometrin prosessisukupolveen asti. ARM kehittää nyt prototyyppikirjastoja, jotka perustuvat sopimusvalmistajien uusimpiin lähellä kynnysjännitettä toimivien 55 ja 40 nanometrin piirejä varten. Nämä ovat tällä hetkellä kehityksessä olevien IoT- ja loppupäätelaitteiden sweet spot -prosesseja. Johtavat EDA-talot ja sopimusvalmistajat valmistautuvat jo tukemaan lähellä kynnysjännitettä toimivaa teknologiaa.

ARM valmistelee nyt toiminnan osoittavaa lähellä kynnysjännitettä toimivaa testipiiriä, joka saataneen valmiiksi tuotantoa varten vuoden ensimmäisen puoliskon aikana. Vaikka kyse on lyhyen tai keskipitkän aikavälin ratkaisusta, on testipiiri myös tärkeä askel kehitettäessä oikeita lähellä kynnysjännitettä toimivia suunnitteluja, jotka perustuvat minimienergiankulutukseen (MEP).

Todellisuuden IoT:n loppupäätelaitteiden järjestelmäpiirejä ei tarvitse toteuttaa kokonaan lähellä kynnysjännitettä toimivalla tekniikalla. Jotkut logiikkalohkot, kuten IoT-alijärjestelmien monitorointiosat tai audion prosessointi, joissa huippusuorituskykyä ei vaadita, hyötyvät ilmiselvästi kynnynjännitteen lähellä toimimisesta. Muut lohkot, joissa vaaditaan suurempaa nopeutta tai suorituskykyä, voidaan toteuttaa standardilla logiikalla, joka toimii 1,0 tai 0,9 voltin jännitteellä.

Yhteenveto

Tämänhetkisten sopimusvalmistajien mallien ja uusimpien suunnittelutyökalujen ja -kirjastojen avulla pitäisi olla mahdollista luoda uusia, lähellä kynnysjännitettä toimivia suunnitteluja. Tottakai on edelleen isoja haasteita: robustien ja vakaiden alhaisen jännitteen prosessitekniikoiden tarjonta, EDA-työkalujen tuki, muistien integrointiongelmat alhaisen tehonkulutuksen SoC-piireissä sekä fyysisten IP-lohkojen puute kynnysjännitteen lähellä toimiviin suunnitteluihin. Jo lähitulevaisuudessa pitäisi kuitenkin olla mahdollista kehittää suunnitteluja, jotka toimivat lähellä kynnysjännitettä – ennemminkin minimienergiankulutukseen kuin alhaisimpaan mahdolliseen jännitteeseen perustuen – ja mahdollistavat seuraavan sukupolven IoT-päätelaitteiden ja -järjestelmien SoC-piirien kehityksen.

MORE NEWS

Tässä alkuvuoden luetuimmat uutiset

Vuoden 2025 ensimmäiset kuukaudet ovat tuoneet esiin selkeitä teknologian ja arjen muutostrendejä, jotka kiinnostavat suomalaisia lukijoita. Turvallisuus, energiatehokkuus, älylaitteiden käyttö ja tulevaisuuden laiteratkaisut ovat nousseet voimakkaasti esiin sekä yksilön että yhteiskunnan tasolla. Kuluttajat haluavat nyt ymmärtää laitteidensa riskit, hyödyntää teknologian koko potentiaalia – ja tehdä entistä järkevämpiä valintoja arjessaan.

Luetuimmat: GPMI uhkaa HDMI:n asemaa

Kiinassa on esitelty uusi monikäyttöinen kaapelistandardi, joka saattaa horjuttaa HDMI:n, DisplayPortin ja Thunderboltin asemaa. Yli 50 kiinalaisen teknologiajätin muodostama Shenzhen 8K UHD Video Industry Cooperation Alliance on kehittänyt General Purpose Media Interface -standardin (GPMI), jonka tekniset ominaisuudet tekevät siitä varteenotettavan kilpailijan nykypäivän yleisimmille liitännöille.

Luetuimmat: Näin sähköauton akun elinikä kasvaa 19-kertaiseksi

Korelaisten POSTECHin (Pohang University of Science and Technology) ja Sungkyunkwanin yliopiston tutkijat ovat löytäneet uuden tavan pidentää sähköautojen litiumioniakkujen käyttöikää jopa 19-kertaiseksi – ilman uusia materiaaleja tai teknologioita. Ratkaisu on yksinkertainen: siinä pitää välttää akun täydellistä tyhjentämistä.

Luetuimmat: Tämän takia litium-nikkeliakut hajoavat

Dallasin Texasin yliopiston (UTD) tutkijat ovat löytäneet syyn, miksi litium-nikkelioksidi (LiNiO₂) -akut menettävät kestävyyttään ja rappeutuvat toistuvien lataussyklien aikana. Löydös voi avata tietä pitkäikäisemmille ja tehokkaammille akuille, jotka voisivat parantaa esimerkiksi sähköautojen ja älylaitteiden suorituskykyä.

Luetuimmat: Pian aurinkopaneeli tulee pakolliseksi

EU:n uusi rakennusten energiatehokkuusdirektiivi (EPBD) on nyt virallisesti hyväksytty ja aikataulutettu. Sen mukaan 31. joulukuuta 2029 jälkeen rakennusluvan saaneissa uusissa asuinrakennuksissa – mukaan lukien omakotitalot – on oltava soveltuvat aurinkoenergiajärjestelmät.

Luetuimmat: Bluetooth kannattaa aina sammuttaa älypuhelimesta

Bluetooth-yhteys on monelle arkipäiväinen apuväline langattomissa kuulokkeissa, kaiuttimissa tai paikannuslaitteissa. Harva kuitenkaan muistaa, että tämä näennäisesti harmiton toiminto voi kuluttaa akkua ja muodostaa merkittävän tietoturvariskin – erityisesti silloin, kun se on päällä turhaan.

Sudo vaihtuu Ubuntussa

Ubuntun takana oleva Canonical on ilmoittanut, että tulevassa Ubuntu 25.10 -versiossa perinteinen sudo korvataan uudella versiolla nimeltä sudo-rs. Tämä uusi komento on kirjoitettu Rust-ohjelmointikielellä ja se toimii lähes identtisesti vanhan sudon kanssa, mutta sen sisäinen toteutus on turvallisempi ja modernimpi.

Pian tietokoneesi tietää, oletko paikalla

STMicroelectronics on esitellyt uudenlaisen Human Presence Detection (HPD) -ratkaisun, joka yhdistää lentoaikaa mittaavia ToF- eli Time-of-Flight-antureita ja tekoälyä parantaakseen kannettavien tietokoneiden käyttökokemusta, akunkestoa ja turvallisuutta. Ratkaisu ei vaadi kameroita tai kuvien tallennusta.

WithSecure: telemetriatiedot tunnistavat 0-päiväuhkat tehokkaammin

Kyberturvallisuusyhtiö WithSecure on kehittänyt uuden, ennakoivan tavan tunnistaa nollapäivähaavoittuvuuksia hyödyntämällä päätelaitteiden käyttäytymistelemetriaa. Yrityksen mukaan kyseessä on merkittävä läpimurto, joka siirtää haavoittuvuuksien tunnistamisen reaktiivisesta mallista kohti ennakoivaa analytiikkaa – jopa ennen kuin haavoittuvuus on yleisesti tiedossa tai hyväksikäytetty.

Pian se vihdoin tapahtuu: Windows 11 nousee suosituimmaksi

Windows 11 on ennennäkemättömässä nousukiidossa. Vielä toukokuussa Windows 10 hallitsi selvästi maailmanlaajuista käyttöjärjestelmämarkkinaa, mutta tuoreimmat tilastot kertovat selkeästä käänteestä: Windows 11 on ohittamassa edeltäjänsä – mahdollisesti jo kesäkuun aikana.

Suunnittele RISC-V-piiri muutamassa minuutissa

Piirisuunnittelu, joka perinteisesti vie kuukausia ja vaatii monen hengen asiantuntijatiimin, voi nyt onnistua minuuteissa yksittäiseltä suunnittelijalta. Intialainen startup InCore Semiconductors on esitellyt SoC Generator -alustan, joka automatisoi järjestelmä- eli SoC- piirien suunnittelun ennennäkemättömällä tavalla.

Rakettitiede lentää onnistuneilla rekrytoinneilla

Helsinkiläinen ohjelmistokehitykseen erikoistunut IT-yhtiö Rakettitiede jatkoi kannattavaa kasvuaan viime vuonna. - Olemme onnistuneet rekrytoimaan kokeneita osaajia ja tarjoamaan heille juuri oikeanlaisia toimeksiantoja, sanoo toimitusjohtaja Juha Huttunen.

Maailman ensimmäinen lisälaitesovitin, joka säilyttää IP65-luokituksen

Sotilaskäytössä kentällä tarvitaan IP65-luokitusta – eli täyttä suojaa pölyä ja roiskevettä vastaan – jotta laitteet kestävät vaativissa ja vaihtelevissa olosuhteissa. Mutta entä jos laitteeseen täytyy liittää lisälaitteita, kuten radiot, LAN-verkot tai muut kenttävarusteet? Usein suojaus menetetään heti, kun portit avataan. Panasonic on ratkaissut tämän ongelman esittelemällä maailman ensimmäisen lisälaitesovittimen, joka säilyttää IP65-luokituksen myös käytön aikana.

Tekoälyn aikakaudella mikro-ohjain pitää ajatella uusiksi

ETN - Technical articleTekoälyä tuodaan nyt vauhdilla mikro-ohjaimiin. Ajan myötä kaikista päätelaitteiden ML-sovelluksiin tarkoitetuista mikro-ohjaimista tulee hybridilaitteita, joissa yhdistyvät CPU ja NPU. Tämä kehitys on väistämätöntä.

Suomalainen startup Ovido kesyttää tuotetiedon tekoälyn avulla

Helsinkiläinen teknologiayritys Ovido haluaa mullistaa tavan, jolla tuotetietoa hallitaan kansainvälisissä toimitusketjuissa. Yritys kehittää tekoälypohjaista SaaS-alustaa, joka auttaa valmistajia vastaamaan kiristyviin sääntelyvaatimuksiin, kertovat toimitusjohtaja Suvi Haimi ja toinen perustaja Antti Toponen.

VTT kehitti maatuvan aurinkokennon maatalouteen

VTT on kehittänyt maailman ensimmäisten joukossa täysin biohajoavan aurinkokennomoduulin, joka voidaan kiinnittää suoraan viljelykasvin lehteen tai varteen. Maatuvan kennon avulla maatalouteen voidaan tuoda uutta mittauselektroniikkaa ilman huolta jätteistä tai ympäristöhaitoista.

Uusi GaN-transistori voi mullistaa 6G-verkkojen radiotaajuuspiirit

Bristolin yliopiston ja Northrop Grummanin tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen galliumnitridiin (GaN) perustuvan transistoriarkkitehtuurin, joka voi merkittävästi parantaa tulevien 6G-verkkojen nopeutta, tehokkuutta ja signaalinlaatua. Löydös julkaistiin Nature Electronics -lehdessä.

OnePlussan Nord-sarja ottaa harppauksen lippulaivojen suuntaan

OnePlus valmistautuu isoon kesälanseeraukseen, kun se julkistaa 8. heinäkuuta viisi uutta laitetta, ajoitetusti keskelle lomakautta. Tuotteisiin kuuluvat uudet puhelinmallit OnePlus Nord 5 ja Nord CE 5, langattomat kuulokkeet Buds 4, älykello Watch 3 (43 mm) sekä edullinen tablettiuutuus OnePlus Pad Lite.

Lopulta tekoäly lopettaa koodaamisen

AWS:n Principal Developer Advocate Gunnar Grosch esitti AWS Summit Stockholm 2025 -tapahtumassa rohkean näkemyksen ohjelmistokehityksen tulevaisuudesta. - Lopulta tekoäly lopettaa koodaamisen. Hänen mukaansa kehittäjien rooli on jo nyt siirtymässä koodin kirjoittajista kohti koodintarkastajaa – asiantuntijaa, joka ohjaa, tarkistaa ja optimoi tekoälyn tuottamaa koodia.

Mullistava muunninpiiri nostaa datansiirron nopeuden kolminkertaiseksi

Belgialainen mikroelektroniikan tutkimuskeskus IMEC on esitellyt digitaalista datansiirtoa mullistavan uutuuden. 150 giganäytetty sekunnissa näytteistävä DA-muunnin 300 gigabitin tiedonsiirtoon sekunnissa yhdellä kaistalla. Tämä on merkittävä harppaus verrattuna nykyisiin markkinoilla oleviin PAM-4-pohjaisiin ratkaisuihin.

ETNdigi 1/2025 is out
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Tekoälyn aikakaudella mikro-ohjain pitää ajatella uusiksi

ETN - Technical articleTekoälyä tuodaan nyt vauhdilla mikro-ohjaimiin. Ajan myötä kaikista päätelaitteiden ML-sovelluksiin tarkoitetuista mikro-ohjaimista tulee hybridilaitteita, joissa yhdistyvät CPU ja NPU. Tämä kehitys on väistämätöntä.

Lue lisää...

OPINION

Onko tekoäly nyt uusin uhka tietoturvalle?

Tekoäly on tullut jäädäkseen – siitä ei ole epäilystäkään. Mutta mitä tapahtuu, kun siitä tulee myös kyberturvallisuuden suurin uhka?

Lue lisää...

LATEST NEWS

  • Tässä alkuvuoden luetuimmat uutiset
  • Luetuimmat: GPMI uhkaa HDMI:n asemaa
  • Luetuimmat: Näin sähköauton akun elinikä kasvaa 19-kertaiseksi
  • Luetuimmat: Tämän takia litium-nikkeliakut hajoavat
  • Luetuimmat: Pian aurinkopaneeli tulee pakolliseksi

NEW PRODUCTS

  • Maailman ensimmäinen lisälaitesovitin, joka säilyttää IP65-luokituksen
  • Uudenlainen termistori on iso askel sähköautoille
  • 10 wattia sokeripalan kokoisesta teholähteestä raiteille
  • Bluetoothin uudet ominaisuudet käyttöön pienellä USB-tikulla
  • Yksi piiri pidentää langattoman laitteen käyttöaikaa
 
 

Section Tapet