Alle elektronischen Systeme müssen von der Konzeptphase bis zur Massenproduktion umwelttechnischen Gesichtspunkten Rechnung tragen. Neben den Behörden achten heute auch immer mehr Kunden sorgfältig auf geringe Verlustleistung und CO2-Emissionen. Die Forderung nach immer höherer (Prozessor-)Leistung läuft jedoch allen "grünen" Absichten zuwider. Folglich hat die beeindruckende Leistungsexplosion moderner Handheld- und Mobilgeräte, beispielsweise dem iPhone, für den Chip-Designer zu enorm gestiegenen Herausforderungen bezüglich der Energieversorgung geführt.
* Texas Instruments
* Intel
Die elektrisch zugeführte Leistung eines Prozessors wird auf zwei grundlegende Arten verbraucht: zum einen als dynamischer Strom von logischen Signalübergängen (also im Betrieb) sowie andererseits als statischer (Leck-; Ruhe- oder Leerlauf-)Strom. War früher der Leckstrom im Vergleich zu der dynamischen Verlustleistung eher zu vernachlässigen, so verhält es sich mit zunehmender Verkleinerung der Strukturen genau andersherum. Durch komplizierte physikalische Prozesse fließen mit schrumpfenden Dimensionen immer mehr Ströme über verschiedene Wege innerhalb des Transistors auch in nominell "ausgeschalteten" Geräten, oft noch dazu temperaturabhängig. Der hohe Leckstromanteil wirft große Probleme auf, die man mit unterschiedlichen Ansätzen in den Griff zu bekommen versucht. Eine Performance-Steigerung durch den Einsatz von immer mehr Transistoren und Verbindungen für größere Strukturen, breitere Pipelines und hoch entwickelte Vorhersagemechanismen, wie sie früher üblich war, verbietet sich mittlerweile sowohl aufgrund des dynamischen Leistungsbedarfs als auch wegen der statischen Leckleistung.
Höhere Komplexität beim Design
Die Entwickler brauchen genaue Kenntnisse über die beabsichtigten Betriebszustände – nur so können sie optimale Spezifikationen gewährleisten. Dazu zählen etwa der Wirkungsgrad der Stromversorgung, die Verringerung von Rauschen und Jitter bei Takt und Signalen oder das richtige Netzstörunterdrückungsverhältnis (PSRR). Alle Peripheriekomponenten, Schnittstellen und die Hintergrundbeleuchtung der Anzeige sollen nur genau die Mindestenergie erhalten, die sie ohne Leistungsbeeinträchtigung benötigen. So kommen in der Versorgung rund 30 verschiedene Spannungswerte zusammen, die je nach Systemzustand dynamisch variiert und skaliert werden müssen.
Die Steuereinheiten auf dem Chip nehmen bei höheren Temperaturen und Spannungen mehr Strom auf. Der Systementwickler kann den Stromverbrauch minimieren, indem er die Betriebsspannung und die Chip-Umgebung sorgfältig analysiert. Die jüngste Generation von Systemkomponenten kann auch bei Spannungen unter 2 V arbeiten. "Clock Gating" ist eine effiziente Strategie, den Stromverbrauch ohne Einbußen bei Rechenleistung oder Systemfunktionalität zu senken. Halbleiterschaltkreise nehmen mehr Strom auf, wenn der Takt anliegt – selbst wenn sie nicht aktiv sind. Nicht benötigte Taktsignale können bis zu 40 Prozent des Gesamtverbrauchs ausmachen. Eine gezielte Abschaltung einzelner Taktbäume kann zu einer deutlichen Energieeinsparungen beitragen. Peripheriemodule lassen sich mit unterschiedlichen Taktfrequenzen betreiben, wenn man mehrere Taktquellen bereitstellt.
Niedrigster Stromverbrauch der Welt
Daraus entstehen zwangsläufig die Maßnahmen, die bereits beim Chip-Design zur Senkung der Verlustleistung ergriffen werden müssen: Mehrere Stromspar-Betriebsarten auf dem Chip (dynamisches Power-Management), dynamische Anpassung von Frequenz und Spannung (DVFS – Dynamic Voltage and Frequency Scaling), Abschalten von Taktsignalen (das erwähnte Clock Gating) oder der Energieversorgung (Power Gating). Auf diese Weise ließ sich beispielsweise bei der neuen Mikrocontroller-Familie MSP430F55xx von Texas Instruments mit fünf Energiesparmodi der angeblich weltweit niedrigste Stromverbrauch im aktiven Zustand von 200 µA/MHz und im Standby-Betrieb von 2,5 µA erreichen - bei gleichzeitiger Verlängerung der Batteriestandzeit durch Wake-up aus dem Standby-Betrieb innerhalb von maximal 5 µs.
Strom sparen durch dreidimensionale Strukturen
Mit einer neuen Chip-Technologie auf Basis dreidimensionaler Strukturen – die sogenannte Multi-Gate-Technologie – will Infineon künftige Bausteine für mobile Geräte um ein Vielfaches leistungsfähiger machen. Der "Schlüssel zum Erfolg" ist hier die dritte Dimension: Der steuernde Kontakt des Transistors bekommt dadurch eine um den Faktor drei größere Angriffsfläche, um den Transistor effektiv auszuschalten. Damit sollen bei gleicher Funktion und Geschwindigkeit und aktueller Fertigungstechnik um den Faktor 10 geringere Ruheströme fließen. Das neue Herstellungsverfahren, das Infineon gemeinsam mit dem europäischen Forschungszentrum IMEC in Belgien weiter erforschen will, soll in den nächsten Jahren als Basistechnologie serienreif sein. Auch Intel forscht seit Jahren an ähnlichen Chipstrukturen in 3D und erwartet deren Einsatz bei Prozessgeometrien unter 32 nm, also in durchaus absehbarer Zeit.
Doch darauf kann sich der Weltmarktführer bei Halbleitern natürlich nicht ausruhen. Den seit Jahren anhaltenden unablässigen Trend zur Miniaturisierung von Endgeräten hat Intel zum Anlass genommen, seit einem Jahr mit dem "Atom"-Prozessor neben Platzeinsparungen auch eine äußerst energiesparende Lösung anzubieten, die nicht nur kleinere Netzteile und Akkus mit langen Laufzeiten mit sich bringt, sondern Mobilität und Portabilität in Bereiche hineinträgt, an die man vor ein paar Jahren noch nicht einmal gedacht hat. Damit tritt der Weltmarktführer nicht mehr wie bisher gegen AMD an, sondern gegen ARM und seine Lizenznehmer wie Qualcomm, TI oder Samsung, um deren Vormachtstellung bei Handys und Smartphones zu brechen.
Zielmarkt Embedded
Besonders der Embedded-Markt lockt: Bereits heute arbeiten 5 Milliarden embedded Internet-Geräte, bis 2015 soll sich ihre Zahl verdreifachen. Davon will Intel mit dem Atom-Prozessor profitieren; nach Angaben von Anand Chandrasekher, General Manager der Ultra Mobility Group, konnte man bereits mehr als 700 Design-Wins allein in diesem Segment verbuchen. Ein weiterer Markt, auf den Intel abzielt, ist Infotainment im Auto. Inzwischen unterstützt die Automotive-Plattform von Microsoft den Atom-Prozessor, Intel ist dem Automotive Partner Programm von Microsoft beigetreten.
In Zukunft will Intel den Stromsparprozessor bezüglich seiner Leistungsaufnahme noch deutlich sparsamer machen, und zwar – wie unlängst auf dem "Research@Intel Day" bekanntgegeben wurde –, mit einem drastisch geringeren Leerlaufverbrauch. Die dafür verwendete Technik läuft unter der Bezeichnung "Platform Power Management" (PPM). Sie soll in die zukünftige Familie der im 45-nm-Prozess hergestellte Atom-Prozessoren (Codename Moorestown) integriert werden, die derzeit für Mobile Internetgeräte (MIDs) entwickelt werden. Experten erwarten Moorestown auf Laufe des Jahres 2010, da schon 2011 die 32-nm-Plattform "Medfield" erscheinen soll. Fast enthusiastisch verkündete die Ultra Mobile Group, dass man bei diesen Prozessoren die Stromaufnahme im Standby-Betrieb im Vergleich zur aktuellen Generation auf ein Fünfzigstel reduzieren konnte.
Bei dem grundsätzlich neuen Ansatz von PPM kann die Hardware die Stromsparvorgaben des Betriebssystems wesentlich schneller umsetzen. Der Computer vermag dann auf intelligente Weise den Stromverbrauch von gerade nicht benötigten Systemkomponenten (wie etwa WLAN-Adaptern oder I/O-Subsystemen) extrem zu reduzieren oder gar komplett abzustellen – und im Bedarfsfall automatisch sofort wieder zu reaktivieren. Power-Management auf Plattformebene könnte eines Tages in allen Intel-Prozessoren zum Zuge kommen.• more@click-Code: EE509503
