TI采用新“金剛狼”MCU平臺 使MCU總功耗銳減50%

引言

德州儀器 (TI) 于上世紀 70 年代推出了微控制器 (MCU)，并已在眾多的平臺中運用了此項技術，包括超低功耗 MSP430™ MCU 產品系列。MSP430 MCU 十多年來一直是業界超低功耗技術的領先者，而且每一代新型架構皆專注于創造全新的功耗與效率指標記錄。

MSP430 架構業已提供了僅在需要時才喚醒的智能外設、允許 MCU 內部的模塊以不同頻率運作的靈活定時、以及先進的電源管理技術等，這些只是其諸多創新成果中的幾個而已。雖然貴為業界領袖，但 TI 并未因此沾沾自喜固步自封，而是一如既往地投入巨資不斷地開發最先進的超低功耗技術。

憑借“金剛狼 (Wolverine)”MCU 平臺(因其運用了激進的節能技術而擁有了這一代號)，TI 創立了下一代 MSP430 架構(見圖 1)。這款新型平臺將 MCU 的功率與能源消耗銳減了一半以上，從而使超低功耗性能邁上了一個新臺階。

* 據美國史密森研究所 (Smithsonian Institution) 提供的資料。

圖 1：憑借“金剛狼”MCU 平臺(因其運用了激進的節能技術而擁有了這一代號)，TI 創建了下一代 MSP430 架構，其將 MCU 的功率與能源消耗銳減了一半以上，從而使超低功耗性能邁上了一個新臺階。

· 運行模式功耗低至 100μA/MHz

· 待機流耗低于 400 nA(RTC 和欠壓保護模式)

· FRAM 每位能耗下降了 250 倍

· 可在不到 7μs 的時間里從待機模式喚醒至運行模式

TI“金剛狼”平臺之所以實現了引人注目的功耗性能提升，憑借的是其新型 130 nm 超低漏電 (ULL) 工藝技術、集成型低功耗非易失性存儲器以及利用先進的電源管理與高精度低功耗模擬組件得以增強的 MSP430 原生優勢。

130 nm 超低漏電 (ULL) 工藝技術

鑒于超低功耗器件有 99.9% 的時間都處于待機模式，因此在較小的工藝幾何尺寸下，漏電流便成為了決定功率效率的一個關鍵因素。低功耗設計的挑戰源于晶體管漏電流的指數性增加(因柵極長度的不斷縮減及柵極氧化物所致)。

漏電流基于電子在節點之間必須移動的距離，而隨著這個距離的不斷縮小，電子在節點之間的泄放越來越容易。以基于 25 nm 或 45 nm 工藝的 PC 用高性能微處理器 (MPU) 為例，其必須使用特殊的材料來控制漏電。對于 MCU，漏電流從 180 nm CMOS 工藝節點開始變成了一個重要的考慮因素。

通過其在 65 nm、45 nm 和 28 nm 工藝節點上設計的 GHz 智能手機處理器和數字信號處理器 (DSP)，TI 對于較小工藝節點下的漏電流了如指掌，而且 TI 的工程師們把學到的有關這些較小工藝幾何尺寸下的漏電流特性的知識，全部都應用到了“金剛狼”的 130 nm 工藝中。

歷史上，MCU 設計人員往往將其創新的著重點放在提高性能和密度上。自 1965 年以來，摩爾定律 (Moore’s Law) 一直在推動著晶體管和芯片性能的提升。雖然這種改進的步伐在過去的 10 年間有所放緩，但工藝技術每 18 個月將性能提升一倍的歷史，已經有 30 多年了。

就 130 nm“金剛狼”平臺而言，TI 通過專為提升功率效率而設計，并針對較低漏電流和其他硅工藝固有特性而優化的電路，恢復了摩爾定律在改善功耗(而非性能)指標方面的作用。盡管沒有像采用傳統方法時那樣將性能提升一倍，但 TI 卻代之以功耗的減半(也就是將功耗指標改善了一倍)，同時保持了現今 MSP430 MCU 架構的高性能。

結果，與其他 130 nm CMOS 工藝相比，各個晶體管的最小漏電流將至少減低10 倍，而運行功耗則總體下降了 15%(圖 2)。

圖 2：采用低漏電法雖未提高性能，卻可以保持低的功率損失，同時充分利用工藝尺寸縮小帶來的運行功耗下降優勢。結果是：漏電流減低 10 倍，而運行功耗總體下降了 15%。

超低功耗的基礎

為了獲得新型 130 nm 工藝技術的最大優勢，TI 對其整個設計工具套件庫進行了全面的重新設計，旨在將著重點集中在功率效率而非高性能上。這些工具套件(包括標準單元庫、電容器、模擬組件和 I/O)基于基礎級晶體管配置，其形成了用于設計當今復雜 MCU 的主要構件。

針對 130 nm 工藝的新型工具套件具有豐富的模擬組件，以實現諸如高精度模數轉換器 (ADC) 等外設和用于大幅降低功耗的內部電源管理電路。例如：“金剛狼”模塊產品組合包括一個每秒鐘能完成 20 萬次采樣而流耗僅為 75μA 的高精度 12 位 ADC。同樣，具有日歷顯示和報警功能的實時時鐘 (RTC) 模塊能夠以僅僅 100 nA 的流耗運行。130 nm 的超低漏電工藝與豐富的混合信號集成相組合，有助實現業界最低的總系統功耗。

先進的電源管理

功率效率并非只適用于 CPU 的功耗。有功電流同樣取決于系統執行定時的效率、高精度模擬外設和通信接口。如欲最大限度地降低各種不同工作負載條件下的功耗，運用先進的電源管理技術是必不可少的。

“金剛狼”架構提供了 MSP430 MCU 電源管理模塊的一種增強型版本。除了支持 7 種操作模式之外，“金剛狼”電源管理模塊還能提供先進的電源門控 (power gating)，并采用了一個高響應性的自適應穩壓器。在內部，MCU 被分割成了幾個功率域，以使系統能夠根據應用的特殊需求動態地管理器件的每個部分。

當使系統在盡可能長的時間里處于待機模式時，就最大限度地降低了總體系統功耗。然而，系統每次在待機模式與運行模式之間切換都會產生功耗。特別地，供應給電路的電壓不但達到預期電平而且重新預置子系統或外設，以再度變至運作狀態，都需要時間。在這段時間里，電路吸取的功率日益增大，卻并未完成任何有用的工作(見圖 3)。這些喚醒損耗將導致性能下降、響應性減慢和功率效率走低，特別是在那些頻繁地在“運行”與“待機”模式之間切換的系統中。