[분석정보] 인텔 반영구적으로 자율 구동하는 무선통신 기능이 붙은 센서 단말과 초저소비 전력 x86 마이크로 콘트롤러

개발한 무선 센서 단말의 개요. 출처 : VLSI 회로 기술위원회

 외부로부터의 전원 공급이 필요 없으며, 반영구적으로 자율 구동하는 무선 통신 기능이 붙은 센서 단말과 단말용 초 저소비 전력 x86 마이크로 컨트롤러(MCU)를 Intel이 개발하고, 그 개요를 국제 학회 "VLSI 회로 심포지엄"에서 6월 16일에 발표했다 (강연 번호 8.1). IoT (Internet of Things) 분야의 무선 탑재 센서 네트워크를 구성하는 단말로서 이용 가능하다.

 개발한 단말은 전력 획득용 태양 전지 (크기는 1 제곱cm), 전력 획득 IC (Energy harvesting IC) x86 아키텍처의 32bit 마이크로 컨트롤러, 전력 관리 IC, Bluetooth Low Energy (BLE) 규격의 무선 트랜시버 플래시 메모리, 센서 군으로 구성된다.

개발한 무선 센서 단말의 블록도

370mV의 저전원 전압에서 주파수가 3.5MHz로 높고, 소비 전력이 58μW와 낮은

 x86 아키텍처의 초저소비 전력 32bit 마이크로 컨트롤러는, 무선 센서 단말용으로 새롭게 개발했다. 14nm의 SoC (System on a Chip)용 트라이 게이트 CMOS 공정으로 제조했으며, 실리콘 다이 면적은 0.79 제곱 mm로 매우 작다.

 마이크로 컴퓨터가 동작하는 전원 전압 범위는 308mV ~ 1V로 꽤 넓다. 동작 주파수는 전원 전압이 308mV 때 0.5MHz, 370mV 때 3.5MHz, 750mV 때 180MHz, 1V 때 297MHz이다. 동작 사이클 당 소비 에너지가 최소인 것은 전원 전압이 370mV 때로, 동작 주파수는 3.5MHz, 소비 전력은 58μW, 1 사이클 당 소비 에너지는 17.18pJ이다.

개발한 32bit 마이크로 컨트롤러의 전원 전압 (가로축), 동작 주파수 (위 그래프의 세로축), 에너지 소비 (아래 그래프 좌 세로축) 소비 전력 (아래 그래프의 우 세로축)

 마이크로 컴트롤러의 내부 회로는 CPU 코어, 1차 캐시, 부트 ROM, 공유 메모리, DMA (직접 메모리 액세스), SPI 회로, 타이머, 범용 IO, I2C 회로, 전력 관리 겸 클럭 제어 회로, 교정 링 발진기 (CRO ), 입출력 회로, 전원 회로 등으로 구성된다.

 이들 회로에는 특성이 다른 4 종류의 트랜지스터에 의한 셀 라이브러리를 구축해서 할당했다. HP (고성능) 트랜지스터, SP (표준 성능) 트랜지스터, ULP (초저소비 전력) 트랜지스터, TG (게이트를 두껍게 한) 트랜지스터이다.

 HP 트랜지스터는 클록 분배 회로에 채용하고, 차이에 의한 클럭 스큐를 최소화했다. SP 트랜지스터는 논리 회로에 채용, 로직의 동작 속도를 확보했다. TG 트랜지스터는 전원 전압이 높은 IO 회로에 사용했다.

 ULP 트랜지스터는 메모리 회로에 채용, 대기시의 소비 전력을 최소화했다. 메모리 셀은 8개의 트랜지스터로 구성되어 있으며, 셀 면적은 0.155 제곱 μm로 14nm 기술로는 꽤 크다. 메모리 셀의 누설 전류는 전원 전압이 308mV 때 8.3pA이다. 8개의 SP 트랜지스터로 구성된 메모리 셀에 비하면, 누설 전력은 26 분의 1로 대폭 작아지는 것이지만, 메모리 셀 면적은 55% 늘어났다고 한다.

5개의 전원 도메인과 3 종류의 에너지 절감 모드를 준비

전원 도메인은 5개. 코어 전원 (Vcore), 상시 on (Anytime on)인 회로용 전원 (Vaon), 링 발진기용 전원 (Vcro), 레벨 시프터용 전원 (Vls), IO용 전원 (Vio)이다. IO용 전원 (Vio)의 전압은 1.5V로 고정해 둔다. 그 외의 전원 전압에는 코어 전원 (Vcore)와 상시 on (Anytime on) 회로용 전원 (Vaon), 레벨 시프터용 전원 (Vls)은 기본적으로 동일한 전압이다.

개발한 x86 저소비 전력 32bit 마이크로 컨트롤러의 내부 블록과 전원 도메인

 대기시의 소비 전력을 절약하는 에너지 절약 모드는 S3 ~ S0까지 4 종류 (엄밀하게는 에너지 절약이되는 것은 3 종류)이다. "S3"는 노멀 모드로 일반 작동 모드다. "S2"는 "짧은 수면"이라고 부르는 약한 에너지 절약 모드로 클럭 게이팅에 의해 CPU 코어는 중지상태가 된다. 소비 에너지 (사이클 당)는 일반 모드에 비해 38% 정도 감소한다. 노멀 모드로의 복귀는 μs 주문 시간을 필요로 한다.

 "S1"는 " 긴 수면"이라고 부르는, S2보다 깊은 에너지 절약 모드이다. 교정 링 발진기 (CRO)가 멈추고, 전체가 클럭 게이팅이 된다. 전체 회로는 실시간 클록 (RTC, 주파수 32kHz)에 의해 천천히 구동된다. 소비 에너지 (사이클 당)은 일반 모드에 비해 84% 정도 감소한다. 일반 모드로의 복귀는 ms 주문 시간을 필요로 한다.

"S0"은 "깊은 수면" 이라고 부르는 가장 깊은 에너지 절약 모드이다. CPU 코어와 CRO의 전원 공급이 중단된다. 상시 온 (Anytime on)인 회로는 전원 공급이 있어, 실시간 클럭에 의해 움직인다. 소비 에너지 (사이클 당)는 일반 모드에 비해서 94% 감소 (16 분의 1)로 크게 줄어든다. 일반 모드로의 복귀에는 몇 초의 시간을 필요로 한다.

개발한 32bit 마이크로 컨트롤러의 저전력 모드와 사이클 당 에너지 소비

실내 조명으로 무선 센서 단말은 연속 동작

개발한 마이크로 컨트롤러를 통합한 무선 센서 단말은, 실내 조명하 (1,000 룩스)에서 연속 동작한다. 이 동작에는 BLE에 의한 데이터 전송을 포함한다.

 무선 센서 단말의 동작은, 센서의 데이터를 정기적으로 수집하면서, 간헐적으로 BLE에 의해 데이터를 호스트 측 (허브 측)에 전송하는 것이 된다. 마이크로 콘트롤러의 전원 전압이 0.45V, 동작 주파수가 13MHz 때의 마이크로 콘트롤러의 소비 전력은 290μW, 무선 센서 단말 전체의 소비 전력은 360μW이다.

무선 센서 단말의 동작 예 (시작부터 초기화, BLE 통신까지의 약 4분). 간헐적으로 통신을 실행하는 것으로, 평균적인 소비 전력을 낮춘다

 무선 센서 단말에서 주로 에너지를 소비하는 것은, 마이크로 컨트롤로와 무선 통신이다. 소비 전력의 극히 적은 마이크로 컨트롤러를 실현하는 것이, 무선 센서 단말의 실용성을 크게 좌우한다. x86의 32bit 마이크로 컨트롤러로 매우 적은 전력 소비를 달성한 것은 큰 의의가 있는 것이라고 말할 수 있다.

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