ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT

IN FOCUS

IoT-piireillä päästöt kuriin

IoT-teknologia on nousemassa keskeiseksi työkaluksi kestävän kehityksen ratkaisuissa. Vaikka laitteiden valmistus ja käyttöönotto vaativat energiaa, pitkän aikavälin säästöt ylittävät kulut moninkertaisesti. Tuoreiden analyysien mukaan IoT voi säästää jopa kahdeksankertaisesti sen energiamäärän, jonka se itse kuluttaa elinkaarensa aikana.

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
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

Kiinalaisryhmä hyökkää Windows-palveluilla ja Google Drivella

Tietoturvayritys Check Point Research on paljastanut Silver Dragon -nimisen kybervakoiluryhmän, joka kohdistaa hyökkäyksiä hallituksiin Kaakkois-Aasiassa ja Euroopassa. Tutkijoiden mukaan ryhmä on suurella varmuudella Kiinaan kytkeytyvä ja todennäköisesti osa APT41 -kokonaisuutta.

Botit generoivat jo kolmasosan verkkoliikenteestä – myös tekoälybotteja aletaan estää

Lähes kolmasosa globaalista verkkoliikenteestä on jo bottien tuottamaa. Tämä käy ilmi Fastlyn Threat Insights -raportista, jossa analysoitiin heinä–syyskuun 2025 aikana triljoonia sovellus- ja API-pyyntöjä yhtiön verkossa.

Nokia ja Ericsson tiivistävät yhteistyötä autonomisissa verkoissa

Nokia ja Ericsson syventävät yhteistyötään älykkäässä verkkoautomaatiossa. Yhtiöt avaavat rApp-sovellusekosysteeminsä toisilleen ja sitoutuvat vahvistamaan avoimia standardeja, erityisesti R1-rajapintaa, jonka kautta rAppit keskustelevat SMO-järjestelmän kanssa.

Kännykän massamuisti on pian yhtä nopea kuin työmuisti

Kioxia on aloittanut UFS 5.0 -yhteensopivien sulautettujen flash-muistien arviointinäytteiden toimitukset. Taustalla on yksi selkeä ajuri: päätelaitteissa ajettavat suuret kielimallit ja muu generatiivinen tekoäly nostavat tallennuksen suorituskykyvaatimukset täysin uudelle tasolle.

Tutkimusdata haastaa sähköauton lataamisen ohjeet

Sähköautojen akkujen kestävyydestä on keskusteltu pitkään, ja erityisesti arkilataamisen ohje “pidä varaustaso 20–80 prosentissa” on vakiintunut lähes itsestäänselvyydeksi. Tuore laajaan reaalimaailman dataan perustuva analyysi kuitenkin osoittaa, että kuva on aiempaa monisyisempi.

Qualcomm tuo tekoälyn älykelloihin

Qualcomm Technologies on julkistanut uuden Snapdragon Wear Elite -alustan, jonka tavoitteena on tuoda varsinainen reunatekoäly älykelloihin ja muihin puettaviin laitteisiin. Yhtiö puhuu Personal AI -laitteista, jotka eivät enää ole pelkkiä älypuhelimen jatkeita vaan itsenäisiä, kontekstia ymmärtäviä laitteita.

Donut Labin kenno kesti 100 asteen kuumuuden

VTT on julkaissut toisen riippumattoman testiraportin Donut Labin Solid-State Battery V1 -kennolle. Tällä kertaa tarkasteltiin purkukäyttäytymistä korkeissa lämpötiloissa, +80 ja +100 asteessa. Tulokset ovat kaksijakoiset. Sähköisesti kenno selvisi testeistä hyvin. Rakenteellisesti 100 asteen koe jätti jälkensä.

Nokian Hotard: mobiililiikenne ei ole enää lineaarista

Mobiiliverkkojen liikenne ei Nokian toimitusjohtajan Justin Hotardin mukaan enää kasva lineaarisesti, kun tekoälystä tulee verkon uusi pääasiallinen kuormittaja. Pelkkä “putken kasvattaminen” ei hänen mukaansa enää riitä.

Rohde ja Qualcomm venyttävät radiolinkin 6G-taajuuksille

Rohde & Schwarz ja Qualcomm Technologies ovat demonstroineet MWC Barcelonassa carrier aggregation -yhteyden, jossa yhdistetään perinteinen FR1-taajuusalue ja niin sanottu FR3-alue. FR3 ei kuulu nykyisiin kaupallisiin 5G-verkkoihin, vaan sitä valmistellaan osaksi tulevaa 6G-taajuusarkkitehtuuria.

Uusi eRedCap vie älymittarit 5G-aikaan

Nordic Semiconductor esittelee Barcelonan MWC-messuilla joukon uusia ratkaisuja, joista strategisesti merkittävin liittyy 5G eRedCapiin. Yhtiö tekee yhteistyötä avainasiakkaiden kanssa seuraavan sukupolven eRedCap-teknologioiden kehittämiseksi. Tavoitteena on laajentaa 5G:n käyttö ultra-matalatehoisiin IoT-laitteisiin.

Xiaomi nousi fitness-rannekkeiden ykköseksi

Omdian mukaan globaalit puettavien laitteiden toimitukset ylittivät 200 miljoonaa kappaletta vuonna 2025. Kasvua kertyi kuusi prosenttia edellisvuoteen verrattuna. Fitness-rannekkeissa markkinajohtoon nousi Xiaomi 18 prosentin osuudella. Apple oli toisena 17 prosentilla ja Huawei kolmantena 16 prosentilla. Samsung Electronics ja Garmin täydensivät kärkiviisikon.

Ericsson ja Intel haluavat tekoälyn 6G-radioverkkoon

Ericsson ja Intel kertovat laajentavansa yhteistyötään, jonka tavoitteena on vauhdittaa siirtymää kohti kaupallista, tekoälyyn natiivisti perustuvaa 6G-verkkoa. Yhtiöiden mukaan 6G ei ole pelkkä seuraava mobiiliversio, vaan infrastruktuuri, jossa tekoäly on sisäänrakennettuna radioverkkoon, ytimeen ja reunalaskentaan.

IoT-laitteiden siirto toiselle operaattorille helpottuu

IoT-laitteiden elinkaaren aikainen operaattorin vaihto helpottuu, kun Telenor IoT tuo markkinoille uuden SGP.32-standardin mukaiset eSIM-kortit. Yhtiö ilmoittaa aloittavansa kaupalliset toimitukset 17. huhtikuuta 2026.

Aliro 1.0 julkaistiin: Älypuhelimesta tulee universaali avain

Connectivity Standards Alliance (CSA) on julkistanut Aliro 1.0 -spesifikaation, joka määrittelee ensimmäistä kertaa yhteisen protokollan älypuhelimessa olevalle digitaaliselle avaimelle. Standardin tavoitteena on mahdollistaa, että sama mobiilissa oleva kulkuoikeus toimii eri valmistajien lukijoissa NFC:n, Bluetooth LE:n ja UWB:n kautta. Aliroa tukevat muun muassa Apple, Google ja Samsung.

Voisiko kalsium korvata litiumin?

Hong Kong University of Science and Technologyn tutkijat kertovat kehittäneensä uudenlaisen kalsiumioniakun, joka voisi tarjota vaihtoehdon litiumioniakuille. Tutkimus on julkaistu Advanced Science -lehdessä, ja se perustuu puolikiinteään elektrolyyttiin sekä redoks-aktiivisiin orgaanisiin runkorakenteisiin.

Muuttaako AMD-sopimus Metan AI-yhtiöksi?

Meta ilmoitti tällä viikolla jopa 6 gigawatin GPU-kapasiteettiin tähtäävästä, monivuotisesta sopimuksesta AMD:n kanssa. Kyse ei ole yksittäisestä laite-erästä, vaan usean sukupolven mittaisesta infrastruktuurikumppanuudesta, jossa sovitetaan yhteen GPU-, CPU- ja järjestelmätason roadmapit.

AMD haluaa kantataajuuslaskennan x86-prosessorille

AMD on esitellyt 5. sukupolven EPYC 8005 -palvelinprosessorit, ja sen viesti teleoperaattoreille selvä: kantataajuuslaskenta kuuluu yleiskäyttöiselle x86-prosessorille, ei erillisille baseband-ASICeille tai FPGA-kiihdyttimille.

Perus-PC katoaa markkinoilta ensi vuonna

Gartner arvioi, että muistien raju hinnannousu romahduttaa laitemyyntiä vuonna 2026 ja tekee alle 500 dollarin peruskannettavista taloudellisesti kannattamattomia. Tutkimusyhtiön mukaan tämä ns. entry level -PC-segmentti katoaa markkinoilta vuoteen 2028 mennessä.

Pieniä 5G-tukiasemia nopeammin läpi tuotantolinjasta

Rohde & Schwarz ja LITEON esittelevät Barcelonassa Mobile World COngressissa tuotantotestausratkaisun, jolla 5G-femtosoluja voidaan testata aiempaa selvästi nopeammin. Yhdellä testerillä voidaan karakterisoida neljä laitetta rinnakkain, mikä kasvattaa valmistuksen läpimenoa 50 prosenttia.

Lisää bassoa heti – tai ainakin parannus äänenlaatuun

Samsung hioo täyslangattomia kuulokkeitaan maltillisesti mutta teknisesti kiinnostavasti. Uusi Buds4-sarja ei mullista markkinaa, mutta erityisesti Pro-mallissa äänenlaatuun on tehty konkreettisia laitepuolen muutoksia.

TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Lääkintälaitteet siirtyvät verkkoon, hoito potilaan kotiin

ETN - Technical articleLääkintälaitteiden internet (IoMT) yhdistää diagnostiikan, puettavat anturit ja sairaalalaitteet pilvipohjaisiin järjestelmiin. Etävalvonta, reaaliaikainen data ja koneoppiminen lupaavat parempaa hoidon laatua ja kustannussäästöjä, mutta samalla ratkaistavaksi jäävät yhteentoimivuus, sääntely ja tietoturva.

Lue lisää...

OPINION

Teslalla ei vieläkään ole itseajavaa autoa

Tesla ei muutu itseajavaksi sillä, että siitä poistetaan ratti. Yhtiö on aloittanut ratittoman Cybercabin sarjatuotannon, mutta ratkaiseva komponentti puuttuu edelleen: toimiva itseajaminen, jota ei tarvitse valvoa, kirjoittaa Elektroniktidningenin Jan Tångring.

Lue lisää...

LATEST NEWS

  • Kiinalaisryhmä hyökkää Windows-palveluilla ja Google Drivella
  • Botit generoivat jo kolmasosan verkkoliikenteestä – myös tekoälybotteja aletaan estää
  • Nokia ja Ericsson tiivistävät yhteistyötä autonomisissa verkoissa
  • Kännykän massamuisti on pian yhtä nopea kuin työmuisti
  • Tutkimusdata haastaa sähköauton lataamisen ohjeet

NEW PRODUCTS

  • Suosittu vähävirtainen IoT-yhteys helposti lisäkortilla
  • Tämä ajuri auttaa pitämään auton hengissä pakkasaamuna
  • 40 TOPSia verkon reunalle
  • Erittäin tarkka anturi virranmittaukseen
  • Eikö 8 bittiä enää riitä? Tässä vastaus
 
 

Section Tapet