Рейтинги разные - победитель один. Микроконтроллеры Apollo со сверхнизким потреблением

В конце прошлого года в мире малопотребляющих микроконтроллеров произошло одно интересное событие, которое заставило задуматься об объективности различных рейтинговых систем. В журнале DESIGN&ELEKTRONIK вышла статья «Benchmark – ULPBench debunked» с разоблачением рейтинга ULPBench от EEMBC. Авторы статьи провели независимое тестирование некоторых микроконтроллеров с учетом реальных условий эксплуатации. При этом оказалось, что некоторые общепринятые «лидеры» продемонстрировали достаточно посредственные характеристики. Очень интересный результат показали микроконтроллеры Apollo от Ambiq Micro. Они превзошли всех конкурентов в широком диапазоне температур и напряжений питания, показав рейтинг ULPBench в 472 балла, что на 200 баллов больше, чем у ближайшего конкурента.

Рис. 1.	Микроконтроллеры Apollo Ambiq Micro с ядром ARM Cortex-M4F – лидеры рейтинга ULP Bench.

В настоящее время существует достаточно широкий выбор малопотребляющих контроллеров. Чтобы сравнить микроконтроллеры разных производителей по соотношению производительность/ потребление, используют специальные рейтинги. Один из них ULPBench (Ultra Low Power), проводимый компанией EEMBC, долгое время являлся наиболее авторитетным. Однако группа инженеров заметила, что у этого традиционного теста есть недостатки: фиксированные значения температуры и напряжения питания. Чтобы устранить эти ограничения, было решено выполнить собственное исследование, которое дало достаточно неожиданные результаты.

В ходе тестирования было выяснено, каким образом изменяется рейтинг ULPBench разных моделей контроллеров при изменении температуры и напряжения питания. Оказалось, что микроконтроллеры, которые при номинальных условиях 3.0 В и 25 °С находились на верхних строчках общего зачета, при уменьшении напряжения теряли свои позиции (Рис. 2).

Рис. 2.	Результаты независимого тестирования рейтинга ULPBench при различных напряжениях питания (DESIGN&ELEKTRONIK, №10, 2016).

Рост температуры приводил к ожидаемому снижению рейтинга ULPBench у всех микроконтроллеров. Однако скорость падения эффективности была разной. Для одних контроллеров снижение рейтинга ULPBench было весьма значительным, а другие демонстрировали высокую стабильность, что позволяло им подниматься в общем зачете на верхние строчки.

Полученные разночтения между результатами независимого исследования и данными традиционного тестирования ULPBench от EEMBC следует считать важными, так как большинство реальных приложений работает при напряжениях менее 3.0 В, а зачастую и при температурах выше 25 °С. Впрочем, стоит отметить, что оба исследования продемонстрировали, что в широком диапазоне температур и напряжений питания, наиболее эффективными оказались микроконтроллеры Apollo от Ambiq Microс с высокопроизводительным ядром ARM Cortex-M4F.

В традиционном тесте ULPBench от EEMBC контроллеры Apollo получили рейтинг в 377 баллов. В расширенном тесте, при снижении напряжения питания, уровень энергоэффективности всех контроллеров увеличивался, и Apollo не стал исключением. Пиковый рейтинг для него был достигнут при Uпит =2.1 В и составил 472 балла, что на 201 балл больше, чем у ближайшего преследователя STM32L4!

Однако в этой бочке меда есть и ложка дегтя. Исследование показало слабые стороны ранней версии контроллеров Apollo rev3. Во-первых, версия Apollo rev3 не смогла работать при напряжениях ниже 2.1 В. Во-вторых, гарантированный диапазон рабочих температур для rev3 составляет –10…+60 °С. При этом рост температуры приводит к очень быстрому падению эффективности, и при +60 °С преимущество над конкурентами практически исчезает. Тем не менее, инженеры Ambiq Micro продолжают совершенствовать технологию и повышать эксплуатационные характеристики в новых версиях Apollo.

В последней ревизии документации для микроконтроллеров Apollo от 1 марта 2017 года заявлены следующие характеристики:

• Диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
• Напряжение питания: 1.8…3.8 В;
• Ток потребления в активном режиме при включенном регуляторе: от 34 мкА/ МГц (3.3 В);
• Ток потребления в активном режиме при выключенном регуляторе: от 79 мкА/ МГц (3.3 В);
• Ток потребления в спящем режиме: от 57 мкА (3.3 В);
• Ток потребления в режиме глубокого сна: от 143 нА (3.3 В).

Как инженеры Ambiq Micro смогли добиться столь низкого потребления от микроконтроллеров с ядром ARM Cortex-M4F? Разгадка кроется в особой технологии SPOT™ (Sub-threshold Power Optmized Technology).

Как известно, традиционная логика работает с напряжениями от 1.2 В, такое значение выбрано с учетом пороговых напряжений транзисторов (около 0.9 В). При превышении этого значения транзистор включается, если напряжение ниже порогового, то транзистор выключается. Таким образом, имеем два традиционных логических состояния «0» и «1». Недостатком этой классической схемы являются высокие динамические потери на переключение (Рис. 3). Совсем другой принцип определения логических состояний предлагает технология SPOT™.

Рис. 3.	Особенности работы транзисторов при использовании технологии SPOT.

Идея технологии SPOT™ от Ambiq Micro заключается в том, что транзисторы всегда остаются закрытыми. Логической «1» соответствует напряжение VH =0.5 В, а логическому «0» VL= 0 В (Рис. 3). Таким образом, оба логических уровня имеют напряжение менее 0.9 В, то есть находятся в зоне гарантированного закрытого состояния транзисторов. Очевидно, что при таких псевдо-переключениях затрачивается гораздо меньше энергии и потери оказываются минимальными, что мы и наблюдаем при проведении тестов ULPBench.

Появляется резонный вопрос, каким образом определяются логические состояния, если транзисторы остаются закрытыми? Технология SPOT™ использует для этих целей контроль токов утечки. Дело в том, что зависимость тока утечки от напряжения на затворе имеет экспоненциальную форму. То есть, даже при таких ничтожных изменениях напряжения ток увеличивается в 1400 раз.

Описанная идея была известна еще в 1970-х годах, тогда же были изготовлены первые логические элементы, работающие по такой схеме. Однако до массового производства дело так и не дошло. Главная проблема заключалась в сложности выравнивания токов утечки транзисторов. Самые первые логические вентили содержали достаточно скромное число транзисторов, которые можно было «подогнать вручную». Однако выполнить подстройку токов в современной микросхеме, содержащей миллионы транзисторов, уже не так-то просто. При этом существует три основных технических проблемы.

Первая проблема заключается в том, что токи утечки в логических состояниях хотя и отличаются в 1400 раз, однако речь идет о ничтожно малых величинах наноамперного диапазона. К примеру, в традиционной логике 1.8 В токи отличаются в 100,000,000 раз! Чтобы фиксировать токи наноамперного диапазона, необходимо особым образом формировать логические вентили.

Рис. 4.	Проблемы контроля токов утечки при низких напряжениях.

Вторая проблема состоит в том, что токи утечки чрезвычайно сильно зависят от температуры. Если, например, использовать в качестве логической «1» напряжение 0.25 В, то окажется, что температурные отклонения токов в диапазоне –25…25 °C перекрывают изменения токов при смене логических состояний (Рис. 5). В результате сейчас порог переключений для технологии SPOT™ составляет 0.5 В, при этом температурный диапазон все еще остается ограниченным –40…+85 °C. Это ограничение выражается в резком падении эффективности при повышении температуры во время тестирования ULPBench.

Рис. 5.	Снижение температурной стабильности при уменьшении напряжения питания.

Третья проблема заключается в необходимости максимальной адаптации существующих технологий производства для SPOT™. При этом контрольное оборудование традиционно настроено на работу с напряжениями 0.9 В и гораздо более высокими токами.

Компания Ambiq Micro все же смогла решить перечисленные проблемы. В результате глубокой оптимизации были созданы микроконтроллеры Apollo, у которых часть блоков работает по традиционной технологии, а часть по технологии SPOT™. Сейчас пользователям доступны версии Apollo с объемом FLASH 256 кБайт и 512 кБайт.

Микроконтроллеры Apollo отличаются достаточно скромным набором периферии (Рис. 6). Однако для большинства целевых областей это оказывается второстепенным фактором. Для таких приложений, как портативная электроника, IoT, беспроводные датчики, умные часы, медицинская портативная электроника, в первую очередь важен уровень потребления. Чем он меньше, тем больше время между подзарядками аккумуляторов.

Рис. 6.	Блок-схема микроконтроллеров Apollo от Ambiq Micro.

Кроме самих контроллеров, Ambiq Micro предлагает и отладочные наборы. Самым функциональным из них является Apollo EVK.

Apollo EVK – набор, включающий жгут USB и сразу три платы: Apollo EVB, плату расширения Bluetooth Low Energy Connectivity Board, плату расширения с МЭМС-датчиками Motion Sensing Development Platform (Рис. 7).

Apollo EVB – основная плата, которая содержит топовый микроконтроллер семейства APOLLO512-KBR (512 кБайт FLASH, 64 кБайт ОЗУ, корпус 64 BGA), 2.54-штыревые разъемы расширения, микросхемы питания, встроенный программатор и отладчик.

Bluetooth Low Energy Connectivity Board – плата расширения, построенная на базе микросхемы DA14581 Bluetooth SMART SoC. Как известно, DA14581 является одним из рекордсменов по уровню потребления. Таким образом, совместно с микроконтроллером APOLLO они образуют уникальное сверхнизкопотребляющее решение с полной поддержкой Bluetooth v4.1.

Motion Sensing Development Platform – плата расширения, включающая целый ряд микросхем и МЭМС-датчиков:

• Analog Devices, ADXL362, трехосевой акселерометр;
• ST Microelectronics, LIS2DH12, трехосевой акселерометр;
• Bosch, BMI-160, комбинированный датчик трехосевой гироскоп + трехосевой акселерометр;
• ST Microelectronics, L3GD20H, трехосевойгироскоп;
• ST Microelectronics, LIS3MDL, трехосевой магнитометр;
• часы реального времени Ambiq MicroAM1805;
• микросхема FLASH-памяти N25Q128A, 128 Мбит.

Рис. 7.	Состав отладочного набора Apollo EVK.

Характеристики микроконтроллера APOLLO512-KBR:

• Ядро: 32-битное ARM Cortex-M4F;
• Максимальная рабочая частота: 24 МГц;
• Объем FLASH: 512 кБ;
• Объем ОЗУ: 64 кБайт;
• Аналоговая периферия: АЦП, компараторы, температурный датчик;
• Характеристики АЦП: 10-битный, 13-канальный, 1 млн. выб/с;
• Коммуникационные интерфейсы: I²C, SPI, UART;
• Число портов ввода/ вывода: 50;
• Напряжение питания: 1.8…3.8 В;
• Диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
• Корпус: 64-выводной BGA.

Характеристики отладочного набора APOLLO-EVK:

• Состав набора: USB кабель, Apollo Evaluation Board, плата расширения Bluetooth Low Energy, плата расширения Motion Sensing Development Platform;
   
• Особенности Apollo Evaluation Board: микроконтроллер APOLLO512-KBR, встроенный программатор;
   
• Особенности Bluetooth Low Energy Connectivity Board: микросхема DA14581 Bluetooth SMART SoC с полной поддержкой Bluetooth v4.1;
   
• Особенности Motion Sensing Development Platform: Analog Devices, ADXL362, трехосевой акселерометр; STMicroelectronics, LIS2DH12, 3-осевой акселерометр; Bosch, BMI-160, комбинированный датчик трехосевой гироскоп + трехосевой акселерометр; STMicroelectronics, L3GD20H, трехосевой гироскоп; STMicroelectronics, LIS3MDL, трехосевой магнитометр; часы реального времени Ambiq Micro AM1805; микросхема FLASH-памяти N25Q128A, 128 Мбит.

Посмотреть более подробно технические характеристики микроконтроллеров Apollo от Ambiq