De japanska konsumenterna var på väg att vilja ha samma prestanda på bärbara produkter som sina äldre plug-in-dito. Det var så Synopsys fick upp ögonen för konstruktion för låga effekter. Till en början handlade det mest om att kunna erbjuda konventionella lågeffektslösningar, som att stänga av klockor och IO:s när tillfälle gavs.

– Men för fyra år sedan började våra kunder som gör mobiltelefoner, bluetooth, wifi, mobil-tv och annat att kräva helt andra utvecklingsmetoder och analysverktyg för att ta sig framåt. Vi hamnade i en helt ny sits, säger Matthew Fisch.

Misstag runt sekelskiftet
Peter Frith, teknikchef på audiospecialisten Wolfson Microelectronics, och Paul Pontin, teknikstrateg på 3Dlabs, mest känt för sina avancerade grafikprocessorer, nickar. De håller med i Matthew Fischs trendanalys.

Med blicken i backspegeln erkänner Peter Frith och Paul Pontin sitt misstag runt sekelskiftet. Båda var fullständigt övertygade om att det var inom kommunikationsområdet som marknaden fanns och skulle växa sig stark. Det var detta segment de två fabrikslösa halvledartillverkarna siktade på.

– Men så blev det ju inte. Vad som verkligen hände var att batteridrivet bärbart blev det stora, med miljardproduktion idag, konstaterar Peter Frith.

Kravet på batteridrift för ofrivilligt tankarna till en liten och behändig enchipslösning. Teorin är glasklar – ju högre integrationsgrad, desto mindre storlek och lägre spänning. I den digitala världen innebär dessutom en lägre spänning att effektförbrukningen minskar, vilket är attraktivt.

Digital mobil mer analog
Fast riktigt så enkel är inte ekvationen i en komplex integrerad konstruktion. Ta mobiltelefonen som ett exempel.

– Hur många vet att det finns mer analogt i en digital mobiltelefon än motsvarande analoga mobil. Digitala mobiler behöver AD- och DA-omvandling inte bara för röst utan även för rf-kanalerna. Samtidigt är kraven på de analoga funktionerna i dagens moderna mobiler betydligt högre än vad de någonsin varit i de analoga systemen, säger Peter Frith.

– I en analog konstruktion vill man höja spänningen och öka signalsvinget för att få lägre effektförbrukning och ett bra signalbrusförhållande. Om man dubblera signalsvinget så kan man minska strömmen till en fjärdedel, vilket halverar effektförbrukningen. Åtminstone i teorin, fortsätter han

20 procent lägre yield
Faktum är att utvecklingen mot allt lägre spänningar är negativ för den analoga effektförbrukningen. Det gör också att en enchipslösning troligtvis inte är en möjlig väg att gå för dem som utvecklar avancerade system som nyttjar moderna halvledarprocesser.

– Min övertygelse är att i ett högintegrerat komplext system är det optimalt med en lösning som består av fem chips, med digitala lågspänningskretsar och analoga högspänningskretsar, säger Peter Frith.

Hans resonemang bottnar i att olika funktioner kräver olika processer för att bli så effektiva som möjligt, vilket ju också är vad alla strävar efter. En enchipslösning måste stödja små digitala geometrier och analoga funktioner med 5V-transistorer.

– Det ger en dyrare process med många fler masklager och förmodligen runt 20 procent lägre yield, säger Paul Pontin.

Den effektivaste lösningen får man, enligt Peter Frith, med ett minne, en rf-krets förmodligen tillverkad i GaAs eller något liknande, en displaykrets på glas som fysikt är placerad en bit ifrån det övriga systemet och förmodligen tillverkad i en högspänningsprocess, en digital krets och slutligen en gränssnittskrets tillverkad i en högspänningsprocess som knyter upp batterier, högtalare, mikrofon och allt annat mot övriga världen.

– Se bara på den nya ”enchips”-mobilen från Broadcom som klarar multiband, som GSM, wimax, CDMA. Jag har databladet på mitt skrivbord och studerar man diagrammet på framsidan ser man att det handlar om en ren femchipslösning lik den vi talat om, konstaterar han.

Trend mot multichips
Synopsys Matthew Fisch håller med. För tre, fyra år sedan jobbade alla företag med att klara timingen på chipsen. Men trenden mot krympta processer har medfört att man nu istället fått problem med effekttätheten på chipen. Antalet transistorer har ökat markant per ytenhet, men spänningen har inte skruvats ner i samma tempo.

– Jag ser en trend mot multichips. En orsak är att minnesföretagen har blivit allt större samtidigt som de har isolerat sig. Men jag börjar också se en trend mot multikärnor med power management ovanpå. Genom att distribuera olika funktioner och använda power management för att effektivisera går det att minska effekttätheten. En enchipslösning skapar bara en massa konflikter, säger Matthew Fisch.

En femchipslösning behöver däremot inte nödvändigtvis handla om fem separata kapslar på ett kretskort. Istället stoppas ofta blandsignalkretsarna och digitala kretsar i samma kapsel, och ibland staplas även minnen där.
Fast här har Wolfson och 3Dlabs stött på patrull. De två företagen samarbetar kring integration och sedan en tid tillbaka har de försökt att modulera sina två chips – en avancerad audiokrets och en coprocessor med 24 kraftdomäner – i en gemensam kapsel utan att lyckas.

– Om vi kan få ner dem i samma kapsel kan vi minska parasiterna och effektförbrukningen men det fungerar inte idag. Vi behöver verktygen som gör att vi kan komma vidare. Vad gör Synopsys för att erbjuda verktyg för denna typ av integration, säger Paul Pontin och tittar frågande på Matthew Fisch på andra sidan om mig.

EDA-företag i samarbete
Den frågan får inget rakt svar. Istället konstaterar Matthew Fisch att flera stora EDA-företag, däribland Mentor och Magma, har gått samman för att i gemensam regi ta fram ett enhetligt effektformat, kallat UPF (Unified Power Format) för konstruktion inom den digitala domänen. En standard har spikats och strax innan årsskiftet kom Synopsys med en helt ny verktygssvit som stödjer den.

– Numera har vi integrerat våra effektanalysverktyg i våra standardiserade timingverktyg. Vi har gjort mycket, men för att komma vidare måste vi få svar på hur man modellerar det du just frågade om. Spänningsskalning, powerdown, power management – hur modellerar man det? Tittar man efter medeleffekt eller toppeffekt? Det är inget som är löst, men ett område vi jobbar med, säger han.
Här krävs standarder, samarbete och samverkan för att komma vidare.

Mipi är ett föredöme
Idag talar de flesta halvledartillverkarna endast med kunderna om vad nästa generation kretsar bör klara. För att skapa effektsnålare lösningar i nästa generation måste man utveckla optimalt matchade kretsar som kan tala med varandra. Och då behövs det samarbete mellan olika kretstillverkare.

– Tittar man på industrin i sin helhet så är det väldigt ovanligt med samarbete där man berättar för varandra vad man jobbar med, eftersom alla är så rädda för att avslöja hemligheter. Jag kan förstå att det är så men det är inte välgörande om man vill komma vidare. Jag tror att man måste ändra på den attityden och utbyta erfarenheter, säger Paul Pontin.

Här pekar han på alliansen Mipi som ett gott exempel. Mipi jobbar med att ta fram standarder för att kommunikation mellan olika chips. Alliansen har bland annat tagit fram Slimbus (SLIMbus), som står för Serial Low-Power Inter-chip Media Bus och är ett protokoll avsett för att överföra ljudsignaler i mobiltelefoner.

– Ja det är smärtsamt när man inser att vi numera bränner mindre än en milliwatt i vår codec, medan vi bokstavligen bränner bort effekt när vi skickar data och klocka mellan chipsen. Och i ditt fall Paul, när du sänder videodata, då är det ju mycket värre, suckar Peter Frith.

Konstruera bort läckströmmen
En annan utmaning är de allt mer dominerande läckströmmarna, när spänningarna skruvas ner mer och mer. Vems ansvar är det att lösa detta?

– Foundryna ska lösa det, säger Peter Frith.
Fast det är inte en väg som Matthew Fisch eller Paul Pontin tror är framkomlig. Går man till TSMC och andra foundryn kommer de att säga att det är en kombination mellan power management och processteknik. De vill inte äga problemet bara för att spänningarna går ner och gaten börjar läcka.

– Kanske måste man se skillnaden mellan låg effekt och power management. Låg effekt är processegenskaper, fysiska fenomen. Kanske kommer vi på något sätt att komma runt vissa av dessa. Power management är konstruktionsfinesser som gör att man bland annat kan styra läckningen och på så vis minimera problemen, säger Matthew Fisch.