Firma Ambiq Micro twierdzi, że stworzone przez nią mikrokontrolery z rodziny Apollo pobierają 10 razy mniej mocy niż jakiekolwiek podobne rozwiązania dostępne na rynku. Wyposażono je w rdzeń ARM Cortex-M4F, do produkcji struktur użyto nowoczesnej technologii przewodnictwa podprogowego.
Ambiq Micro to firma z siedzibą w Austin w stanie Texas. Rozwiązała ona problem masowej produkcji układów cyfrowych z wykorzystaniem technologii przewodnictwa podprogowego przy użyciu standardowego procesu CMOS. Pierwsze zapowiedziane produkty z rodziny Apollo to cztery 32-bitowe mikrokontrolery ARM z rdzeniem Cortex-M4F. Układy te zużywają od 5 do 10 razy mniej energii, niż inne mikrokontrolery o podobnych parametrach w typowych, rzeczywistych zastosowaniach. Takie obniżenie poboru mocy zostało osiągnięte dzięki opatentowanej przez Ambiq technologii o nazwie Subthreshold Power Optimized Technology (SPOT).
W tej technologii poszczególne tranzystory nigdy nie są całkowicie włączone, dzięki czemu poziomy logiczne propagują się poprzez prądy upływu (bądź nieco większe natężenia). Wydzielanie ciepła jest znacznie obniżone, jednak generacja i odczyt poziomów logicznych, jak również wykonywanie operacji logicznych muszą być stabilne niezależnie od rozrzutów technologicznych., szumów, dryftu temperaturowego i innych czynników. Dotychczasowe skuteczne implementacji logiki podprogowej były realizowane w dedykowanych fabrykach, w których czynniki wpływające na proces były precyzyjnie kontrolowane. Osiągnięcie Ambiq polega na zaprojektowaniu struktur, które działają poprawnie po realizacji w standardowym procesie CMOS.
Urządzenia „ubieralne”, które dotychczas mogły pracować przez kilka dni lub tygodni zasilane z baterii, teraz będą mogły działać przez miesiące lub nawet lata. Inżynierowie mogą teraz wybrać mniejsze baterie lub zrealizować nowe funkcjonalności, które dotychczas nie były możliwe.
Mikrokontrolery Apollo zostały zoptymalizowane pod kątem poboru mocy zarówno w trybie pracy, jak i w trybie uśpienia – w tradycyjnym procesie technologicznym są to dwa przeciwstawne cele. Pobór prądu wynosi 30 mA/MHz podczas wykonywania instrukcji z pamięci Flash. Natomiast typowa wartość prądu w trybie uśpienia to 100 nA. Te bardzo niskie wartości pobieranego prądu nie wpływają na wydajność. Rdzeń ARM Cortex-M4F wyposażony w jednostkę zmiennoprzecinkową ma moc wystarczającą do pracy w internecie przedmiotów (IoT), który narzuca wysokie wymagania na moc obliczeniową pozwalającą obsłużyć czujniki, systemy audio i systemy automatyki.
Mikrokontrolery z rodziny Apollo mogą pracować z częstotliwością zegara do 24 MHz. Dostępne są modele z pamięcią Flash o rozmiarze do 512 kB i 64 kB RAM, która poza kodem aplikacji może też pomieścić dane radia lub czujników. Komunikacja z czujnikami, modułem radiowym, innymi układami peryferyjnymi lub dodatkowym procesorem hosta odbywa się z użyciem portów I2C, SPI lub UART. W układzie znajduje się 3-kanałowy, 10-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy o szybkości 10 Ms/s, a także czujnik temperatury o dokładności +-2°C. Dostępne są dwie wersje obudów – BGA 4,5 x 4,5 mm z 64. wyprowadzeniami, z czego 50 to piny ogólnego przeznaczenia GPIO, a także CSP2,4 x 2,77 mm z 42. wyprowadzeniami i 27 pinami GPIO.
| Dodatkowe informacje o mikrokontrolerach z rodziny Apollo są dostępne pod adresem: http://ambiqmicro.com/sites/default/files/apollo-product-sheet-lowest-power-mcu.pdf |
Opracowana przez Ambiq Micro technologia SPOT polega na wykorzystaniu tranzystorów w zakresie podprogowym (napięcie poniżej 0,5 V) zamiast włączania ich napięciem o pełnej wartości 1,8 V. Technologia ta wykorzystuje prądy upływu wyłączonych tranzystorów zarówno do realizacji funkcji w dziedzinie cyfrowej, jak i analogowej. Układy zegara czasu rzeczywistego AM08x5 oraz AM18x5 wprowadzone przez firmę w 2013 roku są oparte na tym samym rozwiązaniu.
Rzecznik Ambiq mówi, że trwają prace nad podniesieniem częstotliwości zegara powyżej obecnych 24 MHz, ale granica możliwości procesu to „dziesiątki megaherców”. Nigdy nie powstaną takie procesory z zegarem gigahercowym lub klasy serwerowej. Naturalnym zastosowaniem tej technologii są urządzenia o niskim zużyciu energii, przenośne i zasilane z baterii.
Dyrektor generalny Ambiq Micro Mark Foley komentuje: „Wydajność energetyczna mikrokontrolerów stale rosła w ciągu ostatnich lat, ale nikt nie osiągnął poprawy o niemal rząd wielkości – co jest możliwe dzięki technologii SPOT. To rozwiązanie, które w ostatnich latach sprawdziło się w naszych zegarach czasu rzeczywistego, teraz zostało wykorzystane w mikrokontrolerach Apollo. Pozwala to na dramatyczne wydłużenie czasu pracy na baterii w urządzeniach przenośnych. Przewidujemy, że w przyszłości zużycie energii układów półprzewodnikowych będzie maleć o połowę co dwa lata.”
Próbki mikrokontrolerów Apollo są obecnie dostarczane do wybranych klientów. Produkcja masowa rozpocznie się wiosną 2015. Ceny zaczynają się od 1,50 USD przy zamówieniach 10.000 sztuk.
