IEEE-websites plaatsen cookies op uw apparaat om u de beste gebruikerservaring te bieden. Door gebruik te maken van onze websites gaat u akkoord met het plaatsen van deze cookies. Lees ons privacybeleid voor meer informatie.

Wetenschappers jagen al jaren op op silicium gebaseerde lasers - ze een snellere, goedkopere manier bieden om gegevens over of tussen computers te verplaatsen. Nu omvatten onderzoekers die een lichtemissie van silicium hebben gekregen door het in een nieuwe vorm te realiseren.

Door koperdraden te vervangen door lichtbundels is het mogelijk om data van de ene transistor op een chip naar de andere, of van de ene chip naar de andere, met hogere snelheden en met minder stroom te sturen, zonder dat je zorgen te maken over de overtollige warmte wordt gegenereerd door elektrische weerstand. Andere soorten lasers kunnen dat, maar de halfgeleiders waarvan ze zijn gemaakt, zijn duurder dan silicium en moeten apart worden vervaardigd en op de chip worden bevestigd. Een siliciumlaser zou kunnen worden geproduceerd met dezelfde processen voor het bouwen van chips.  

Om het kristal een nieuwe vorm te geven, was het de kunst om het uit een legering van silicium en germanium (SiGe) te maken en te laten groeien op dunne nanodraden gemaakt van galliumarsenide (GaAs). Het GaAs-kristal is van nature vijfzijdig, dus het is de SiGe om dezelfde zeshoekige vorm aan te nemen, ook al is een siliciumkristal normaal gesproken een kubus.

"We veranderen de kristalsymmetrie en daarmee veranderen we de opto-elektronische eigenschappen van de halfgeleider", zegt Erik Bakkers, hoofd van de Advanced Nanomaterials en Devices-groep aan de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland. Bakkers en zijn collega's zijn hun werk in het huidig ​​nummer van Nature.

Normaal gesproken gaat silicium niet lang mee omdat het een indirecte bandgap heeft. In materialen met directe bandgap, wanneer een aangeslagen elektron van de geleidingsband met hogere energie naar de valentieband met lagere energie valt, geeft het de overtollige energie vrij als een foton. In een materiaal met indirecte bandgap, zoals silicium, komt overtollige energie naar buiten als warmte in plaats van als licht. Door het kristal een nieuwe vorm te geven, hebben Bakkers en zijn bedrijf in wezen de bandgap verplaatst om het direct te maken en het silicium fotonen te laten uitzenden.

Een gedrag in de Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE), die werd gebruikt om nanodraden te laten groeien met zeshoekige silicium-gerium-schalen. Foto: Nando Harmsen/Technische Universiteit Eindhoven

Hoewel ze de lichtemissie konden ontmoeten, hun materiaal nog geen laserstraal. Bakkers heeft echter alle vertrouwen in dat ze ergens dit jaar zullen bereiken. Het germanium beperkt ook tot het produceren van licht met een golflengte van 1800 nm. Ze willen dat naar 1550 nm brengen, de standaardgolflengte die wordt gebruikt in optische communicatie. Ze kunnen dat misschien bereiken door een mechanische spanning op het silicium te gebruiken.

"Het idee om de zeshoekige fase van SiGe te onderzoeken voor elektrische en lichtemissie is interessant", zegt Anthony Levi, een professor in elektrische computertechniek aan de University of Southern California. Hij wijst erop dat er een aantal zaken moeten worden opgelost voordat dit praktische siliciumlaser kan, het verminderen van defecten in het. Bakkers het ermee eens dat er vier zijn, maar hoop binnen van vijf jaar te ontstaan.

Digitale spanningsregelaars met lage besparen tijd, geld en stroom

JE HEBT WAARSCHIJNLIJK honderden, duizenden video's op je smartphone afgespeeld. Maar heb je er ooit over nagedacht wat er gebeurt als je op "play" druk?

Op het moment dat je die kleine driehoek aanraakt, gebeuren er veel dingen tegelijk. In microseconden komen inactieve rekenkernen op de processor van je telefoon tot leven. Terwijl ze dit doen, schieten hun spanningen en klokfrequenties omhoog om ervoor te zorgen dat de video zonder vertragingen wordt gedecomprimeerd en weergegeven. Ondertussen vertragen andere kernen, die genomen zijn op de achtergrond uitvoeren, naar beneden. De lading schiet omhoog naar miljoenen transistors van de actieve kernen en vertraagt ​​tot een druppeltje in de nieuw inactief gemaakt.

Deze dans, dynamische spanning en frequentieschaling (DFVS) genoemd, ontstaat voortdurend plaats in de processor, een system-on-chip (SoC), die zowel je telefoon als je laptop als de servers die ze ondersteunen, opgebouwd. Het is allemaal gedaan in een poging om de rekenprestaties in evenwicht te brengen met het stroomverbruik, iets dat vooral een uitdaging is voor smartphones. De circuits die orkestreren, streven naar een stabiele klok, spanning en ijzersterke spanning, maar ze behoren ook tot de meests lopende te ontwerpen.

Dat komt vooral omdat de circuits voor het ontstaan ​​van klokken en spanningsregeling analoog zijn, in eigenlijk tot bijna al het andere op je smartphone-SoC. We zijn gewend geraakt aan een volgende introductie van nieuwe processors met meer rekenkracht, de vorderingen in de productie van halfgeleiders. Een ontwerp 'overdragen' van een oud halfproces naar een nieuw is geen sinec geleider, maar het is niets met het proberen om analoge circuits naar een nieuw proces verplaatsen te geleider. De analoge componenten die DVFS mogelijk maken, met name een circuit dat een low-dropout spanningsregelaar (LDO) wordt genoemd, worden niet kleiner zoals digitale circuits doen en moeten in principe bij elke nieuwe generatie opnieuw ontworpen worden.

Als we in de plaats daarvan LDO's - en misschien andere analoge circuits - kunnen bouwen, misschien minder moeilijk te porten zijn, enig ander onderdeel van de processor, aanzienlijk aanzienlijk ontwerpkosten worden bespaard en ingenieurs vrijkomen voor andere problemen dan het verbeterd chipontwerp in petto heeft. Bovendien kunnen de veelde digitale LDO's kleiner zijn dan hun analoge tegenhangers en beter gebruiken. Onderzoeksgebieden in de industrie en de academische wereld hebben de afgelopen jaren minimaal een dozijn ontwerpen getest en problematische problemen kunnen een praktisch bruikbare digitale LDO komen binnen bereik.

Low-dropout spanningsregelaars (LDO's) zorgen ervoor dat meerdere processoren op dezelfde ingangsspanningsrail (VIN) op verschillende spanningen kunnen werken, afhankelijk van hun werkbelasting. In dit geval heeft Core 1 de hoogste prestatie-eis. De hoofdschakelaar, in feite een groep parallel geschakelde transistors, is gesloten, waarbij de LDO rechtstreeks wordt aangesloten op VIN, dat wordt geleverd door een extern energiebeheer-IC. Cores 2 tot en met 4 hebben echter minder workloads. Hun LDO's zijn mogelijk om de kernen te voorzien van spanningen die energie besparen.

De basis analoge low-dropout spanningsregelaar [links] regelt de spanning via een feedbacklus. Het gelijk de uitgangsspanning (VDD) de referentiespanning door de stroom door de stroom-PFET te regelen. In het digitale basisontwerp [rechts] activeert een onafhankelijke klok een comparator [driehoek] die de referentiespanning vergelijkt met VDD. Het resultaat vertelt de besturingslogica hoeveel stroom-PFET's moeten worden geactiveerd.

EEN TYPISCH SYSTEM-ON-CHIP voor een smartphone is een wonder van integratie. Op een enkel stukje silicium integreert het meerdere CPU-kernen, een grafische verwerkingseenheid, een digitale signaalprocessor, een neurale verwerkingseenheid, een beeldsignaalprocessor, nog een modem en andere gespecialiseerde blokken van logica. Het verbeteren van de klokfrequentie die deze logische blokken, daadwerkelijke vorderingen maken hun werk gedaan krijgen. Maar om op een hogere frequentie te werken, hebben ze ook een hogere spanning nodig. Zonder dat kunnen transistoren niet in- of uitschakelen voor de volgende tik van de processorklok. Natuurlijk gaat een hogere frequentie en spanning ten koste van het stroomverbruik. Dus deze kernen en logische dynamisch hun klokfrequenties en voedingsspanningen - vaak variërend van 0,95 tot 0,45 volt - op basis van de balans tussen energie-efficiëntie en prestaties die ze moeten bereiken voor welke werkbelasting ze ook worden opgenomen - video opnemen , muziek afspelen bestand, het begin van spraak tijdens een gesprek, enzovoort.

Gewoonlijk een aanvullende extern IC voor energiebeheer meerdere VIN-waarden (ingangsspanning) voor de SoC van de telefoon. Deze spanningen worden geleverd aan delen van de SoC-chip langs brede verbindingen die rails worden genoemd. Maar het aantal verbindingen tussen de energiebeheerchip en de SoC is beperkt. Dus meerdere cores op de SoC moeten dezelfde VIN-rail delen.

Maar ze hoeven allemaal dezelfde spanning te krijgen, dankzij niet de low-dropout spanningsregelaars. Met LDO's en speciale klokgeneratoren kan elke kern op een opgestelde rail werken op een unieke voedingsspanning en klokfrequentie. De kern die de hoogste spanning nodig heeft, bepaalt de VIN-waarde. De energiebeheerchip stelt VIN in op deze waarde en deze kern omzeilt de LDO helemaal via transistors die hoofdschakelaars worden genoemd.

Om het stroomverbruik tot een minimum te lagere, kunnen andere kernen op een voedingsspanning werken. Software deze wat deze spanning zou moeten zijn, en analoge LDO's leveren het redelijk goed. Ze zijn compact te bouwen en eenvoudig te gebruiken op een chip, omdat ze geen grote inductoren van condensatoren hebben.

Maar deze LDO's kunnen alleen in een bepaald spanningsvenster werken. Aan de hoge kant moet de doelspanning lager zijn dan het verschil tussen VIN en de spanningsval over de LDO zelf (de gelijknamige "dropout" -spanning). Als de voedingsspanning die het meest efficiënt is voor de kern bijvoorbeeld 0,85 V is, maar VIN 0,95 V is en de uitvalspanning van de LDO 0,15 V is, kan die kern de LDO niet gebruiken om 0,85 V te bereiken en moet hij werken bij de 0,95 V in plaats daarvan, wat stroom verspilt. Evenzo, als VIN al onder een bepaalde spanningslimiet is ingesteld, zullen de analoge componenten van de LDO niet goed werken en kan het circuit niet worden ondersteund om de kernvoedingsspanning verder te verlagen.

Het belangrijkste obstakel dat tot nu toe beperkt is gemaakt van digitale LDO's, is de trage transiënte respons.

Als het spanningsveld binnen het LDO-venster valt, schakelt de software in en activeert het een referentiespanning die gelijk is aan de verdeelde voedingsspanning.

HOE levert de LDO de juiste spanning? In het basis analoog LDO-ontwerp is dit door middel van een operationele versterkt, feedback en een gespecialiseerde power p-kanaals veldeffecttransistor (PFET). De laatste zijn stroom met een transistor die spanning naar zijn poort. De poortspanning naar dit vermogen PFET is een analoog signaal afkomstig van de opamp, variërend van 0 volt tot VIN. De opamp vergelijkt continu de uitgangsspanning van het circuit - de voedingsspanning van de kern, of VDD - met de doelreferentiespanning. Als de uitgangsspanning van de LDO onder de referentiespanning spanning - zoals het geval zou zijn wanneer nieuwe actieve logica meer stroom vereist - van de opamp de poortspanning wordt vereist Omgekeerd, als de uitgangsspanning boven de referentiespanning spanning - zoals wanneer de logica van een kern minder actief is - de opamp de gate-spanning van de transistor om de stroom te verminderen en de VDD te verlagen.

Een eenvoudige digitale LDO bestaan ​​uit een spanningsvergelijker, besturingslogica en een parallelle vermogens-PFET's. (De LDO heeft ook zijn eigen klokcircuit, gescheiden van die welke door de processorn worden gebruikt.) In de digitale LDO zijn de poortspanningen naar de stroom-PFET's binaire waarden in plaats van analoog, ofwel 0 V of VIN.

Bij elke tik van de klok meet de comparator of de uitgangsspanning onder of boven de doelspanning ligt die door de referentiebron wordt geleverd. De comparatoruitgang begeleidt de besturingslogica bij het bepalen van de vermogens-PFET's moeten worden geactiveerd. Als de output van de LDO onder de doelstelling ligt, zal de besturingslogica meer vermogen-PFET's activeren. Hun gecombineerde stroom ondersteunt de voedingsspanning van de kern, en die waarde wordt teruggekoppeld naar de comparator om deze op het doel te. Als deze doorschiet, geeft de comparator een signaal aan de besturingslogica om enkele van de PFET's uit te schakelen.

NOCH DE ANALOGE, noch de digitale LDO is natuurlijk ideaal. Het belangrijkste voordeel van een analoog ontwerp is snel reageren op tijdelijke problemen en overschrijdingen in de voedingsspanning, wat vooral belangrijk is wanneer gebeurtenissen gaan met steile veranderingen. Deze transiënten treden op omdat de stroomvraag van een kern in een kwestie van nanoseconden sterk stijgen of dalen. Naast de snelle respons zijn analoge LDO's erg goed in het onderdrukken van variaties in VIN die mogelijk binnenkomen van de andere kernen op de rails. En tot slot, wanneer de huidige eisen niet veel veranderen, het de output strak zonder het doel te over- en onderschrijden op een manier in VDD natuurlijke.

Wanneer de stroombehoefte van een kern verandert, kan dit leiden leiden de uitgangsspanning van de L te hoog of te laag wordttop]. Eenvoudige digitale LDO-ontwerpen gaan hier niet goed mee om [linksonder]. Een genaamd "adaptieve bemonstering met schema" verloop [rechtsonder spanning kan de omvang van de afname verminderen. Het doet dit door de samplefrequentie van de LDO te verhogen wanneer het droop te groot wordt, het circuit sneller kan reageren. Bron: SB Nasir et al., IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), februari 2015, blz. 98-99.

Deze eigenschappen hebben een aantrekkelijk gemaakt gemaakt, niet alleen voor het voeden van processorkernen, maar voor bijna elk circuit dat een nog steeds, stabiele voedingsspanning vereist. Er zijn echter enkele kritieke transacties die de uitwerking van deze ontwerpen. De eerste analoge componenten zijn veel complexere dan digitale logica, lange ontwerptijden die nodig zijn om in geavanceerde technologie knooppunten te ontwerpen. Ten tweede werken ze niet goed als het VIN is, resulteert in een beperking hebben op de hoeveelheid VDD die ze aan een kern kunnen leveren. En tot slot is de uitvalspanning van analoge LDO's niet zo klein als ontwerpers zullen willen.

Door die laatste punten samen te nemen, bieden analoge LDO's een beperkt spanningsvenster waarin ze kunnen werken. Dat is dat er gemiste kansen zijn om LDO's in te schakelen voor energiebesparing - groot genoeg om een ​​merkbaar verschil te maken in de batterijduur van een smartphone.

Veel van deze zwakke punten ongedaan maken: zonder complexe analoge componenten, stellen ze ontwerpers in staat om gebruik te maken van een schat aan tools en andere bronnen voor digitaal ontwerp. Het verkleinen van de schakeling voor een nieuwe procestechnologie kost veel minder inspanning. Digitale LDO's werken ook over een groter spanningsbereik. Aan de laagspanningszijde kunnen de digitale componenten werken met VIN-waarden die niet toegankelijk zijn voor analoge componenten. En in het grotere bereik zal de uitvalspanning van de digitale LDO kleiner zijn, wat in een aanzienlijk besparingsvermogen.

Maar niets is gratis, en de digitale LDO heeft enkele wijzigingen. De meeste ontstaan ​​​​omdat het uitvoer op discrete tijden elkaar ontmoeten en in plaats van continu. Dat betekent dat de schakeling een vrij langzame reactie heeft op het wegvallen en doorschieten van de voedingsspanning. Het is ook gevoeliger voor variaties in VIN, en het heeft de neiging om kleine rimpelingen in de uitgangsspanning te produceren, die beide de prestaties van een kern kunnen verslechteren.

Het lijkt misschien eenvoudig dat low-dropout spanningsregelaars (LDO's) het stroomverbruik van de processor intense door kernen op verschillende energieniveaus laten te werken, maar hoe doen ze dat precies? Het totale vermogen dat een kern wordt door, is eenvoudigweg het product van de voedingsspanning en de stroom. Maar spanning en stroom hebben elk zowel een statische als een dynamische, afhankelijk van hoe vaak transistors ingeschakeld. De statische component van de kernstroom bestaat uit die over apparaten lekt, zelfs als de transistoren uitschakelen en is afhankelijk van de voedingsspanning. De dynamische component is een product van capaciteit, klokfrequentie en voedingsspanning.

Voor een kern die rechtstreeks is aangesloten op een spanningsrail die wordt geleverd door het externe voedings-IC, resulteert in het verlagen van VIN in een kwadratische vermindering van dynamisch vermogen met betrekking tot frequentie plus een statische vermogensvermindering die afhangt van de gevoeligheid van lekstroom voor VIN. Het verlagen van de railspanning dus behoorlijk wat.

Voor cores die de LDO gebruiken om een ​​voedingsspanning te leveren die lager is dan VIN, moet je rekening houden met het stroomverbruik van de LDO zelf. Dat is minimaal het product van de spanning over de LDO (de gelijknamige uitvalspanning in de naam van het circuit) en de kernstroom. Als je daar rekening mee houdt, is de dynamische energiebesparing door het verlagen van een lineaire relatie met de voedingsspanning in plaats van de kwadratische die je krijgt zonder de LDO.

Toch is het de moeite waard om een ​​LDO te gebruiken om de voedingsspanning te schalen. LDO's verlagen het SoC-processor vermogen van meerdere kernen op een gedeeld VIN met lagere spanningswaarden kunnen werken.

Hiervan is het belangrijkste obstakel dat het gebruik van digitale LDO's tot nu toe heeft beperkt, hun trage, tijdelijke respons. Kernen ervaren droops en overshoots wanneer de stroom die ze trekken abrupt verandert als reactie op een verandering in de werkbelasting. De LDO-responstijd op droop-gebeurtenissen is van cruciaal belang om te voorkomen dat de spanning valt en hoe lang die toestand duurt. Conventionele kernen voegen een veiligheidsmarge toe aan de spanning om een ​​correcte werking tijdens hangende te spanning. Een grotere opbrengst kan leiden tot het verminderen van de voordelen van de LDO. Het overzicht van de reactie van de digitale LDO op droops en overshoots is dus de primaire focus van het nader onderzoek op dit gebied.

ENKELE RECENTE VORDERINGEN hebben geholpen om de reactie van het circuit op uitvallen en overshoots te plaatsen. Eén benadering gebruikt de klokfrequentie van de digitale LDO als een bedieningsknop om stabiliteit en energie-efficiëntie in te ruilen voor responstijd.

Een lagere frequentie verbetert de LDO-stabiliteit, omdat de output niet zo vaak verandert. Het verwerkt ook het stroomverbruik van de LDO, omdat de transistors ondersteuning van de LDO bestaat, minder vaak schakelen. Maar dit gaat ten koste van een tragere reactie op voorbijgaande huidige eisen van de processorkern. Je kunt zien dat dat zijn, als je bedenkt dat een groot deel van een voorbijgaande gebeurtenis kan gebeuren binnen een enkele frequentie te laag is klok.

Om omgekeerde een hoge LDO-klokfrequentie de transiënte responstijd, omdat de comparator de uitvoer vaak genoegmonstert om de uitgangsstroom van de LDO eerder in de transiënte gebeurtenis te veranderen Deze verslechterde uitvoering van de stabiliteit van de uitvoer en constante meer stroom.

De essentie van deze benadering is het van een klok waarvan de frequentie aanpast aan de situatie, een schema dat zich aanpast aan dynamische stabiliteit. Wanneer spanningsdalingen of overschrijdingen een bepaald niveau hoger, neemt de klokfrequentie toe om het voorbijgaande effect sneller te verminderen. Het vertraagt ​​​​dan om minder te verbruiken en de uitgangsspanning stabiel te houden. Deze truc bereikt door een paar extra comparatoren te voegen om de overshoot- en droop-omstandigheden te en de klok te activeren. In metingen van een standaard digitaal LDO-ontwerp van 210 naar 90 procent ten opzichte van een standaard digitaal LDO-ontwerp. En de tijd die de spanning nodig had om tot een stabiele toestand te komen, kromp van 5,8 µs naar 1,1 microseconden, een verbetering van 81 procent.

Een alternatieve benadering voor het verbeteren van de tijdelijke responstijd is om de digitale LDO een beetje analoog te maken. Het ontwerp integreert een apart analoog-ondersteunde lus die onmiddellijk reageert op stroomtransiënten. De analoog-ondersteundelus koppelt de uitgangsspanning van de LDO aan de parallelle PFET's van de LDO via een condensator, resulterend in een feedbacklus wordt gecreëerd die alleen in de werkingsfase van een sterke verandering in de uitgangsspanning. Dus wanneer de uitgangsspanning, het de spanning bij de geactiveerde PFET-spanningen en de onmiddellijke de stroom naar de grootte van poorten te verminderen. Het is bewezen dat een dergelijke verwant-ondersteunde procentlus de droop procentlus van 300 naar 106 mV, een verbetering van 80 naar 70 mV (13).

Een alternatieve manier om LDO's sneller te laten reageren op spanningsdalingen, is door een analoge feedbacklus toe te voegen aan het vermogens-PFET-gedeelte van het circuit [top]. Wanneer de outputspanning zakt of overschrijdt, wordt de analoge output om deze [te ondersteunen], de gevolgen van de excursie wordt verminderd. Bron: M. Huang et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, januari 2018, pp. 20-34.

Natuurlijk hebben beide technieken hun nadelen. Ten eerste kan geen van beide de responstijd van de huidige analoge LDO's evenaren. Extra vereist de adaptieve bemonsteringsfrequentie tweetechniek extra comparatoren en het ontstaan ​​en kalibreren van referentiespanningen voor droop en overshoot, zodat het circuit weet wanneer de hogere frequentie moet worden verkregen. De analoge ondersteunde lus bevat enkele analoge analoge uitgangen, het ontwerp van een volledig digitaal tijdvoordeel van een volledig digitaal tijdvoordeel.

Ontwikkelingen in commerciële SoC-processors helpen om digitale LDO's kunnen succesvoller te maken, zelfs als ze de analoge prestaties niet helemaal evenaren. commerciële transacties SoC-processors volledig digitale adaptieve circuits die zijn ontworpen om prestatieproblemen te verminderen wanneer er zich tegenwoordig voordoen. Deze circuits verlengen bijvoorbeeld tijdelijk de klokperiode van de kern om timingfouten te voorkomen. tijdelijke mitigatietechnieken kunnen versoepelen, verminderen het gebruik van digitale LDO's mogelijk wordt en de besparingen van de processor wordt vergroot. Als dat gebeurt, kunnen we toekomstigee smartphones en andere computers verwachten, een ontwerpproces een stuk wordt.