Egentligen borde det vara omöjligt att bygga logik som kan klockas med spänningsnivåer under tröskelvärdet men amerikanska Ambiq har visat att det inte bara fungerar på ritbordet utan även i kommersiella produkter.

Allt bygger på att halvledarprocessen är väl karakteriserad och att designen kan ta hand om de processberoende variationer i transistorerna som alltid finns och som dessutom påverkas av temperaturen och spänningen.

– Vår metod kräver väldigt lite handpåläggning. På ungefär två månader kan vi implementera den i en ny halvledarprocess, processor eller DSP, säger Minimas vd Toni Soini.

Han har ett förflutet på Aalto­universitet och därefter på ­Nokias modemutveckling i Oulu som köptes av Renesas och sedan av Broadcom. Tillsammans med Jani Mäkipää från forskningsinstitutet VTT och Lauri Koskinen från universitetet i Turku grundade han Minima Processor så sent som i april i år.

Sjumannaföretagets teknik kommer från universitetet i Turku (Åbo) som har en filial för halvledarteknik i Espoo, strax väster om Helsingfors. Där har tekniken verifierats i 28 nm och i 60 nm.

Minima har dock valt en 40 nm-process från foundryt TSMC för den första konstruktionen.

– Det finns två anledningar. Det är en äldre process som är billigare att använda men ändå tillräckligt bra för många tillämpningar. Och så har vi en kund som är intresserad av den.

Enligt Toni Soini pågår diskussioner med ytterligare ett par kunder som förhoppningsvis blir klara mot slutet av året.

Tillämpningar för extremt energisnåla kretsar finns inom IoT, wearables och liknande områden som inte är allt för beräkningstunga som dessutom prioriterar låg energiförbrukning. 

I universitetslabbet har forskarna visat att det går att komma ned till 3 pikojoule per operation, vilket är världsrekord.

– Jämför man med Ambiq har vi 12,5 µA/MHz, de ligger på 35 µA/MHz. Samtidigt är det svårt att jämföra så. Vi säger att vi är 20 gånger bättre än dagens processorer som arbetar på 1 V.

Exakt hur stor energibesparingen blir för en komplett krets hänger ihop med vilka andra funktioner som finns på kretsen och hur mycket minne den har. Dessutom spar tekniken bara energi när processorn klockas, det finns ingen skillnad i viloläget.

Värt att komma ihåg är att tekniken begränsar klockfrekvensen. Vill man ha maximal energibesparing hamnar den strax över 20 MHz.

– Våra kunder behöver under 100 MHz och det är lätt att optimera för det.

Faktiskt fungerar tekniken även upp i GHz-området även om energibesparingen inte blir särskilt stor då.

Toni Soini beskriver företagets teknik som robustare jämfört med Ambiq, att den inte behöver så mycket handpåläggning för att kompensera för variationer i temperatur och spänning och därmed går snabbare att implementera.

Bägge företagen justerar dock klockan aningen när det behövs för att det inte ska uppstå fel.

– Vi har speciella tidselement i designen som kan förutse felen och sakta ned klockan.

Arbetet med anpassningen av ett nytt IP-block sker i den vanliga verktygskedjan men företaget har tagit fram en skriptbaserad, halvautomatisk komponent som sköter anpassningen.

Dessutom finns en mellanvara som gör att det går att skala både spänning och frekvens i många små delområden av kretsen.

I motsats till Ambiq har Minima valt Risc-V och inte en Arm-kärna. Det hänger bland annat ihop med det brittiska företagets licensregler. Förutom att de är dyra är det inte mer än ungefär tio företag som har en licens som tillåter dem att ändra i RTL-koden.

– Arm håller själva på med teknik som liknar vår så vi vill inte avslöja för mycket för dem. Dessutom stöds Risc-V av stora företag som Qualcomm, Google och HP, säger Toni Soini.

Allt är inte risc-processorer. Signalprocessorer minst lika intressanta att optimera. En DSP kan exempelvis användas för att ligga och lyssna efter ljud för att väcka huvudprocessorn när den detekterat något intressant.

I augusti tog företaget in 1,6 miljoner euro i riskkapital och utvecklingen av den första produkten pågår för fullt. Tape-out är planerad till slutet av året, då företaget också hoppas på att ta in ytterligare 4–5 miljoner euro.