CEA-Leti und Dolphin Design Report FD-SOI-Durchbruch, der die Betriebsfrequenz um 450 % steigert und den Stromverbrauch um 30 % senkt: Auf der ISSCC 2021 vorgestelltes gemeinsames Papier zeigt, wie neue adaptive Back-Biasing-Technik Integrationsgrenzen in Chip-Design-Abläufen überwindet

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Abstract:
CEA-Leti und Dolphin Design haben eine adaptive Back-Biasing-Architektur (ABB) für FD-SOI-Chips entwickelt, die mit industrieller Qualifikation nahtlos in den digitalen Designfluss integriert werden kann, um die Integrationsnachteile bestehender ABB-Techniken zu überwinden.

CEA-Leti & Dolphin Design Report FD-SOI-Durchbruch, der die Betriebsfrequenz um 450% steigert und den Stromverbrauch um 30% senkt: Das auf der ISSCC 2021 vorgestellte gemeinsame Papier zeigt, wie neue adaptive Back-Biasing-Techniken Integrationsgrenzen in Chip-Design-Flows überwinden

Grenoble, Frankreich | Veröffentlicht am 23. Februar 2021

Vollständig abgereichertes Silizium auf Isolator (FD-SOI) ist eine Technologie, die die Vorspannung des Transistorkörpers ermöglicht, der als Backgate fungiert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Massentechnologie ermöglicht FD-SOI einen weiten Spannungsbereich der Körpervorspannung. Dies ermöglicht das Kompensieren von Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen (PVT) durch Steuern der Schwellenspannung. Beispielsweise wird bei Schaltvorgängen, wenn der Schalter eingeschaltet ist, die Körpervorspannung geändert, um den Einschaltwiderstand zu verringern, indem die Schwellenspannung verringert wird und mehr Strom durchgelassen wird. Das beschleunigt die Strecke. Im ausgeschalteten Zustand wird die Körpervorspannung geändert, um den Ausschaltwiderstand durch Erhöhen der Schwellenspannung zu erhöhen, wodurch der Leckstrom verringert wird. Dies zeigt, dass die FD-SOI-Technologie entweder verwendet werden kann, um das Design zu beschleunigen oder die Leckleistung zu reduzieren.

Die neue ABB-Technik, die in einem Artikel auf der ISSCC 2021 vorgestellt wurde, ermöglicht es dem Anwendungsdesign auch, eine gezielte Betriebsfrequenz über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen wie Temperatur, Herstellungsvariabilität und Versorgungsspannung aufrechtzuerhalten. Die Architektur ermöglicht es, den Energieverbrauch von Prozessoren in der 22-nm-FD-SOI-Technologie um bis zu 30 Prozent zu senken und die Betriebsfrequenz um bis zu 450 Prozent zu erhöhen, verglichen mit einer Technik, bei der keine körpergespannte Technik verwendet wird. Es verbessert auch die Herstellungsausbeute.

„Die ABB-Entwicklung ist ein Durchbruch für die FD-SOI-Technologie, da sie die ersten Ergebnisse zeigt, die die Verbesserung der Schaltungsleistung nach der Verwendung von ABB zeigen, und dazu beiträgt, die Leistung und die Ausbeute bei FD-SOI-Designs zu steigern“, sagte Gaël Pillonnet. Ein CEA-Leti-Wissenschaftler und Autor des Papiers „Ein 0.021 mm² PVT-bewusster digitaler Durchfluss-kompatibler adaptiver Rückspannungsregler mit skalierbaren Treibern, der eine Frequenzsteigerung von 450% und eine Leistungsreduzierung von 30% in der 22-nm-FD-SOI-Technologie erreicht.“

Der ABB wird von Dolphin Design, einem führenden französischen Unternehmen für modulare und energieeffiziente IPs, Plattformen und Systeme auf Chips (SoC), kommerzialisiert. Es basiert auf dem von Dolphin Design verbesserten und industrialisierten Proof of Concept von CEA-Leti und unterstreicht die fruchtbare Zusammenarbeit des Instituts mit seinen Industriepartnern und sein Engagement für die Übertragung innovativer Designs auf die Industrie.

„Die Leistungen unseres ABB IP sind auf dem neuesten Stand der Technik und zeigen die Kompensation der Schwankungen zwischen den Bedingungen der Prozessspannungs-Temperatur (PVT) bei einer repräsentativen Anzahl von Proben, wodurch die Verwendung dieser Lösung in Industrieprodukten ermöglicht wird“, sagte Andrea Bonzo , IP-Programmmanager bei Dolphin Design. „Frühere Versuche mit dieser Technik haben nur eine begrenzte Anzahl von Chips gemeldet, die wie beabsichtigt funktionieren. Mit unserer Technik wird gezeigt, dass eine große Anzahl von Chips ordnungsgemäß funktioniert. ABB ist vielseitig einsetzbar und kann verwendet werden, um einen großen digitalen Bereich ohne Einschränkung für jede FD-SOI-Technologie anzutreiben. “

Dem Papier zufolge hat „die bekannte ABB-Technik (Adaptive Back Biasing) bereits gezeigt, dass sie den Stromverbrauch senken oder / und die Betriebsfrequenz aufrechterhalten kann, indem sie die VTH-Variabilität je nach Prozessecken und Temperatur kompensiert. Zuvor veröffentlichte ABB-Architekturen bieten jedoch einen begrenzten Überblick darüber, wie der ABB nahtlos in den digitalen Entwurfsablauf mit industrieller Qualifikation integriert werden kann. Wir schlagen ein wiederverwendbares ABB-IP für jede vorgespannte digitale Last von 0.4 bis 100 mm² mit geringem Flächen- und Stromaufwand vor, z. B. 1.2% bei 2 mm² bzw. 0.4% bei 10 mm². “

Mit dieser neuen Architektur ist der ABB-Bereich im Vergleich zum Anwendungsdesign relativ klein, und sowohl in Bezug auf den Bereich als auch auf die Leistung ermöglicht es dem Anwendungsdesign, seine angestrebte Geschwindigkeit (Frequenz) mit einem relativ geringen Overhead beizubehalten.

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Über CEA Leti
Leti, ein Technologieforschungsinstitut an der CEA, ist ein weltweit führender Anbieter von Miniaturisierungstechnologien, die intelligente, energieeffiziente und sichere Lösungen für die Industrie ermöglichen. CEA-Leti wurde 1967 gegründet und ist Vorreiter bei Mikro- und Nanotechnologien. Das Unternehmen entwickelt differenzierende Anwendungslösungen für globale Unternehmen, KMU und Start-ups. CEA-Leti befasst sich mit kritischen Herausforderungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Energie und digitale Migration. Von Sensoren bis hin zu Datenverarbeitungs- und Computerlösungen bieten die multidisziplinären Teams von CEA-Leti solides Know-how und nutzen erstklassige Vorindustrialisierungsanlagen. Mit mehr als 1,900 Mitarbeitern, einem Portfolio von 3,100 Patenten, 10,000 Quadratmetern Reinraumfläche und einer klaren IP-Richtlinie hat das Institut seinen Sitz in Grenoble, Frankreich, und Niederlassungen im Silicon Valley und in Tokio. CEA-Leti hat 65 Startups ins Leben gerufen und ist Mitglied des Netzwerks der Carnot Institutes. Folgen Sie uns auf www.leti-cea.com und @CEA_Leti.

Technologisches Fachwissen

CEA spielt eine Schlüsselrolle beim Transfer wissenschaftlicher Erkenntnisse und Innovationen von der Forschung in die Industrie. Diese technologische Forschung auf hohem Niveau wird insbesondere in elektronischen und integrierten Systemen von mikroskalig bis nanoskalig durchgeführt. Es verfügt über ein breites Spektrum industrieller Anwendungen in den Bereichen Verkehr, Gesundheit, Sicherheit und Telekommunikation und trägt zur Schaffung hochwertiger und wettbewerbsfähiger Produkte bei.

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Über Dolphin Design

Dolphin Design mit Hauptsitz in Frankreich, früher bekannt als Dolphin Integration, ist ein Halbleiterunternehmen mit 160 Mitarbeitern, darunter 140 hochqualifizierte Ingenieure.

Sie bieten differenzierende Plattformlösungen, die auf modernsten IPs und Architekturen basieren und von einzigartigen Dienstprogrammen auf Systemebene angepasst werden, um schnelle und sichere ASICs bereitzustellen, die entweder von oder für ihre Kunden entwickelt wurden. Diese Plattformen stehen für verschiedene technologische Prozesse zur Verfügung und sind für ein energieeffizientes SoC-Design optimiert.

Zusammen mit ihren Kunden, die mittlerweile mehr als 500 Unternehmen umfassen, konzentrieren sie sich auf menschliche, erfinderische und langfristige Zusammenarbeit, um Produkte, die auf innovativen und zugänglichen integrierten Schaltkreisen basieren, die die Umweltbelastung minimieren, täglich Milliarden von Menschen zur Verfügung zu stellen. In Verbrauchermärkten wie IoT, AI und 5G sowie in Märkten mit hoher Zuverlässigkeit setzen sie die Kreativität von SoC-Designern frei, um Differenzierung zu erzielen.

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