התעמתות עם האתגר של יישומים בעלי מגבלות הספק

אחד היתרונות המובנים בטכנולוגיית CMOS טמון בעובדה שרכיביה צורכים הספק רק כשהם משנים מצב, תכונה שמעניקה להם את מעמד “בעלי הספק נמוך” לעומת צורות אחרות של טכנולוגיית המוליכים למחצה. מכאן ניתן להסיק שככל שתדירויות אות השעון יגדלו – יעלה ההספק הפעיל של מעגלים משולבים ספרתיים, וככל שמשך הזמן שבו ייוותרו ללא פעילות יהיה ארוך יותר – צריכת ההספק תהיה נמוכה יותר.
על אף שעובדה זו נכונה באופן תיאוריתי, הרי שבמציאות כל טנזיסטור במעגל משולב ספרתי תורם כמות קטנה של זרם זליגה, שגורם להספק שזולג כאשר השער לא פעיל והטרנזיסטורים אמורים להימצא במצב פתוח (on) לחלוטין או במצב סגור (off) לחלוטין. מאחר שלכל שער לוגי במעגל CMOS נדרשים לפחות שני טרנזיסטורים הפועלים באופן משלים – האחד לעומת השני – (ומכאן נגזר השם), ומספר השערים גדל באופן מעריכי, קל לראות כיצד צריכת ההספק הסטטי הופכת להיות בעלת חשיבות רבה יותר בכל דור.
התעשייה התקיימה עם זרם זליגה מאז ומתמיד, אך באופן יחסי להספק פעיל הוא נחשב יותר כטרדה מאשר כמגבלת תכנון – כך עד עתה. ואולם בשל לחץ רב יותר שמופעל על היצרנים להביא לצריכת הספק קטנה יותר, ובשל הדרישה הגוברת מצד הצרכנים לביצועים נוספים, התעשייה אינה יכולה עוד להתעלם מכך.
עבור סוג אחד של התקנים הבעיה של הספק סטטי מכריעה אף יותר. המגמה התעשייתית לכיוון התקנים ניידים המופעלים בסוללות מתפתחת וההספק מהווה כיום בעיה מהותית ביישומים רבים, עובדה שכופה מגבלות הדוקות על מעטפת ההספק, והיא לא עוד בולטת לעין יותר מאשר בהתקנים עם הגבלות הספק; סוג חדש של יישומים שבדרך כלל מופעלים בסוללה ולעתים מתוכננים לפעולה רק במשך הזמן שמאפשרת טעינה יחידה. בין אלו נכללים התקנים אטומים כגון התקני ניטור של חומרים כימיים או חומרי גז מסוכנים, לרבות התרעות עשן או גלאי פחמן חד–חמצני. בנוסף ייתכן שנכלל בהם ציוד אבחון המשמש בבית מטופלים שסובלים ממחלות הדורשות ניטור זהיר סדיר ומדויק. באופן גובר נכללים בהם התקנים אטומים מטעמי אבטחה – כדוגמת מחזיקי מפתחות המשמשים לנעילה מרכזית מרחוק של מכוניות או מפתחות של מכוניות, מערכות לפתיחת דלתות או התקני מעקב אחר נכסים. ביישומים אלו אין מתג הפעלה וכיבוי ולעיתים אספקת החשמל מופיעה בצורה של טעינה חד–פעמית בלבד, ועם זאת ההתקן חייב לפעול במשך אלפי שעות – לעתים אולי אף עשרות שנים – במטרה למלא את יעדי התכנון שלו.
כדי להשיג זמן של עשרות שנות שימוש מסוללה יחידה, על ההתקנים להעביר בדרך כלל את רוב זמנם במצב המתנה. בניגוד ליישומים המיועדים לעבור למצב כבוי כשאינם בשימוש, ליישומים אלו נדרש זמן הפעלה מיידי, לעתים כתוצאה מעירור חיצוני או מפעילות מתוזמנת, בלי שיאבדו נתונים חיוניים.
כל זאת מהווה אתגר תכנוני משמעותי לכל מהנדס, במיוחד עם המגבלות על הספק בצריכה במצב המתנה. רק צריכת הספק בכמות אפסית כמעט במצב המתנה יכולה להפיק את התקווה שמעגל אלקטרוני כלשהו יגיע לשימוש במשך שנים מטעינה חד–פעמית.  רוב בקרי המיקרו (MCU) לשימוש כללי אינם יכולים להגיע לצריכת ההספק בהמתנה הנמוכה המוכתבת על ידי יישומים אלו, על אף שהם מתוכננים לצריכת הספק נמוכה בעת הפעולה. עם זאת, בעזרת פיתוח זהיר של תהליך ייצור טרנזיסטורים להספק נמוך באופן קיצוני ועם חידושים מבניים לחיסכון בהספק, הצליחה חברת Microchip לפתח בהצלחה את בקר MCU בעל זרם ההמתנה הנמוך ביותר בעולם, כזה שצורך 20 ננו–אמפר ופחות, כשהוא במצב המתנה. היכולת של הבקר לפעול ממתח נמוך שמגיע ל–1.8 וולט מתורגמת לזמן שימוש המגיע עד ל–20 שנה או יותר מסוללה יחידה או מטעינה יחידה.
ההמצאה נקראת טכנולוגיית nanoWatt XLP – שם שמציין הספק נמוך באופן קיצוני – והיא מומשה בגרסאות האחרונות של משפחות PIC של בקרי MCU ל–8 סיביות ול–16 סיביות של Microchip. היא משלבת שלושה פיתוחים חשובים: ארכיטקטורה להספק נמוך באופן קיצוני, מצב המתנה של שינה עמוקה (Deep Sleep) עבור מוצרים בעלי מורכבות גבוהה וכמה התקנים היקפיים הפועלים בהספק נמוך במיוחד, עבור אותם מצבי התעוררות תקופתיים – שכולם פועלים ביחד למען השגת ביצועים גבוהים ביישומים בעלי מגבלות הספק. לטכנולוגיית nanoWatt XLP יש השלכות ברמת הטרנזיסטורים, כשהיא משלבת טכניקות מוכרות להספק נמוך – כגון למשל מתחי סף משתנים – עם מתודולוגיה של מיתוג הספק, אשר לפיה מפסיקים באופן פיסי את אספקת המתח לחלקים נרחבים של המעגל המשולב כאשר אין בהם עוד צורך. על ידי הפסקה פיסית של אספקת המתח, נוצר מצב שבו מבודדים באופן חשמלי אלפי טרנזיסטורים שבדרך כלל היו תורמים לזרם הזליגה ומורידים באופן חריף את צריכת הזרם במצב המתנה. התוצאה היא בקרי MCU שצורכים פחות מ–20 ננו–אמפר במצב של שינה עמוקה, זרם שהוא נמוך באופן משמעותי מאשר זה של בקרי MCU אחרים הקיימים בשוק.
כדי לרתום את הכוח של טכנולוגיית nanoWatt XLP, נוסף לה מצב חדש: מצב שינה עמוקה. המחקר של Microchip הראה שעד כדי 90% מהיישומים המשתמשים בבקר MCU משתמשים בקוצב זמן מסוג “כלב שמירה” (watchdog timer – WDT) או בשעון זמן או לוח שנה (RTCC) כדי לתזמן אירועים ולהוציא את בקר MCU ממצב השינה. על ידי מימוש מרכיבים מבניים חיוניים אלו באמצעות מתודולוגיות להספק נמוך באופן קיצוני המתוארות לעיל, מהנדסי Microchip מימשו ביעילות את המרכיבים החשובים ביותר של תכנון MCU בארכיטקטורה עם ההספק הנמוך ביותר בתעשייה. שעון WDT ושעון RTCC בבקרי המיקרו PIC בטכנולוגיית nanoWatt XLP של Microchip משתמשים בטכניקות המתקדמות של ההספק הנמוך באופן קיצוני אשר פותחו עבור יישומים המוגבלים בהספק ומאפשרים להתקנים אלו לפעול עשרות שנים מאספקת זרם של טעינה יחידה.
כאשר ההתקן נכנס למצב “שינה עמוקה”, אספקת המתח מנותקת מכל ההתקנים ההיקפיים כמעט של בקר MCU, וכן מרוב האוגרים (register), אך מעגלי RTCC ו–WDT נשארים פעילים. המשמעות היא שעל אף שעבור רוב חלקי ההתקן, משמעות היציאה ממצב “שינה עמוקה” היא איפוס במצב אתחול, ההספק הסטטי למעשה מחוסל בעוד שאותם מעגלים שנשארים פעילים ממומשים באמצעות טכניקות התכנון להספק נמוך, הראשונות במעלה בתעשייה. הפעלת היציאה ממצב “שינה עמוקה” יכולה להתבצע על ידי שעון WDT או על ידי שעון RTCC עבור שגרות שירות עם פסיקה מתוזמנת, או על יד “אתחול בהחשכה חלקית (brownout) של שינה עמוקה” או דרך הפסיקה INT0 במקרה של פעילות שאינה מתוזמנת. נקודת השוויון בין שימוש יעיל במצב “שינה עמוקה” – כלומר יצירת ממתח של נחשולי המתח הקטנים הנחוצים להשבת האוגרים בעת יציאה ממצב “שינה עמוקה” – לבין ההספק שנחסך במצב “שינה עמוקה” יכולה להיות נמוכה עד כדי כמה מאות ספורות של מיקרו–שניות. יישומים יבזבזו בדרך כלל הרבה יותר מאשר שנייה אחת במצב לא פעיל בכל תקופת זמן שהיא. בכל סבירות שהיא יכולות לחלוף כמה דקות בין התפרצויות של פעילות, למרות ששעון WDT יכול לפעול עד 19 ימים ללא אתחול ואת שעון RTCC אפשר להגדיר שיפעל למשך שנה שלימה במצב “שינה עמוקה” לפני שיעיר את ההתקן.
בצד מצב “שינה עמוקה” החדש קיימים מצבי המתנה מקובלים יותר. במקרים מסוימים, ייתכן שיהיה יתרון להשתמש באחד מבין מצבי שינה אלו, תוך הקרבה של מעט חיסכון בהספק בתמורה לגמישות גדולה יותר במושגים של מקורות מעוררים. לדוגמה, אם נדרש שמקמ”ש UART ישמש כמקור הפעלת התעוררות במקרה של קליטה, אפשר להשתמש במצבי “תנומה” (Doze) או “סרק” (Idle) (עיין בטבלה 1). כל מצבי השינה הקיימים בבקרי MCU מסוג PIC של Microchip מציעים חיסכון הספק משמעותי, אך רק הבקרים הבנויים בטכנולוגיית nanoWatt XLP מציעים כיום מצב “שינה עמוקה”.
ככל שיישומים רבים נוספים יהפכו להיות מוגבלים בתקציב ההספק שלהם, השימוש בטכנולוגיות להספק נמוך ילך ויגדל, ויתגבר על הצורך בביצועים בכל מחיר. Microchip, עם טכנולוגיית nanoWatt XLP המתקדמת והחדשנית שלה, נותנת מענה לדרישה התעשייתית לקבלת פתרונות גמישים יותר ליישומים שלהם יש הגבלת הספק. בעוד שיותר התקנים בעלי יכולת הטכנולוגיה nanoWatt XLP יופיעו בשוק, תמשיך חברת Microchip לספק את הפתרון הנכון עבור יישומים חדשים שמופיעים.
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת SOTAL, נציגתה הבלעדית של חברת MICROCHIP בישראל.