Pieter Edelman
10 February 2016

Analoge ic’s worden veelal in oude technologieknooppunten zoals 180 nanometer gemaakt. Veel ontwerpen laten zich maar lastig schalen en zouden alleen de lasten bieden van een modern proces, en niet de lusten. Maar de druk om de analoge delen mee te laten krimpen, neemt toe. De ISSCC-conferentie toont aan dat dat wel degelijk mogelijk is, als er maar wat anders tegen de ontwerpen wordt aangekeken.

‘We leven in een analoge wereld’, is een veelgehoorde uitspraak in chipontwerpkringen. De continue groei in digitale rekenkracht steelt weliswaar meestal de show, maar veel chips zijn bedoeld om overweg te kunnen met de echte wereld. En daarvoor is het dikwijls nog altijd beter om het analoge gedrag van de elektronische componenten uit te buiten dan om de hele boel als digitaal te beschouwen.

Dit geldt des te meer omdat er voor analoge ontwerpen niet altijd dure state-of-the-art chiptechnologie nodig is. Analoge circuits gedragen zich vaak zelfs beter in een oude en relatief goedkope technologie zoals 180 nanometer. De digitale jongens mogen lekker de wet van Moore najagen, de analoge ontwerpers zitten prima waar ze zitten.

Toch begint die status quo langzaam te knagen, zo tonen verschillende inzendingen op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) begin februari aan. Want ic’s mogen dan wel met een analoge wereld te maken hebben, aan de andere kant hebben ze vaak van doen met een digitaal circuit, waar bovendien steeds meer de nadruk op komt te liggen. En daar wringt de schoen.

‘De hele schalingsroadmap is digitaal gefocust. De analoge dingen doe je normaal in het voltagedomein, maar dat schaalt helemaal niet’, vertelt Imec-onderzoeker Nick Van Helleputte, die onder meer een paper over een ecg-uitleescircuit presenteerde in San Francisco. ‘Het grote voordeel van kleinere procesnodes is dat je minder area nodig hebt, maar biomedische toepassingen zijn doorgaans geen high-speed applicaties en designs worden typisch gedomineerd door matching-vereisten en filters met passieve componenten en dergelijke. Dat zijn zaken die niet schalen. Als we onze architecturen in een kleinere technologie zouden ontwerpen, zou het analoge deel te duur worden om te integreren.’

Toch begint er juist voor biomedische sensoren een enorme behoefte aan rekenkracht te ontstaan. ‘Tot nu toe is dat erg beperkt. In wearables gebeurt bijvoorbeeld al wel de hartslagdetectie on-chip, maar de medische markt gebruikt veel complexere algoritmes die een stuk betrouwbaarder zijn maar ook veel meer signaalverwerking vereisen. Daarom sturen sensoren hun data typisch naar de cloud, en daar zijn heel veel innovaties in wat er wordt gedaan met die signalen. We zien nu bijvoorbeeld veel onderzoek naar zaken als machine learning-algoritmes die echt gepersonaliseerd veel betrouwbaarder feature extraction kunnen doen, of context awareness om te bepalen welke sensor op dit moment het meest zinnig is om te gebruiken.’

‘Maar daarvoor moet je een heleboel data uitsturen, en dan kom je natuurlijk in de problemen met power. Dus we zien eigenlijk een noodzaak om meer krachtige on-chip digitale signaalverwerking erin te steken’, vertelt Van Helleputte. Hij en zijn medeauteurs moesten dus op zoek naar een manier om toch te kunnen profiteren van de schaling in een uitleescircuit.

Richting de veertig

Voor een soortgelijk probleem kwam TU Delft-prof Kofi Makinwa te staan. Hij werkt al ruim een decennium aan temperatuursensoren in silicium, en met een van zijn ISSCC-inzendingen heeft hij eindelijk zijn belangrijkste doel weten te realiseren: een ontwerp dat praktisch bruikbaar is om de warmteontwikkeling in high-end processoren te monitoren. ‘De onderzoeksfase is voorbij, ik wil nu naar de praktijk’, vertelt Makinwa. ‘Dit resultaat is ’s werelds kleinste temperatuursensor op een chip, die bovendien veel nauwkeuriger is dan zijn grote voorgangers gebaseerd op transistoren.’

Voor het ontwerp van zijn temperatuursensor zijn twee dingen nodig. Ten eerste een verwarmingselement. Ten tweede … opnieuw een temperatuursensor. Gelukkig hoeft díé sensor niet erg nauwkeurig te zijn, hij moet alleen een verandering kunnen vaststellen. Als promovendus ontdekte Makinwa namelijk dat de snelheid waarmee een warmtegolf zich door silicium verspreidt afhankelijk is van de temperatuur van dat silicium. ‘De sensor werkt door een warmtepuls te injecteren in een chip, gewoon met een weerstandje, en een paar micrometer verderop de puls te detecteren met een thermokoppel, eigenlijk de junctie tussen twee verschillende geleiders. Daarvoor gebruiken we een stukje silicium en een interconnect, allemaal standaard technologie’, aldus Makinwa.

Door te meten hoe lang een temperatuurgolf onderweg is, kan de sensor van TU Delft-hoogleraar Kofi Makinwa de temperatuur van een processor vaststellen.

Het is een ontwerp dat zich uitermate goed leent voor processoren, waar het aantal temperatuursensoren in de high-end versies vandaag de dag al richting de veertig klimt. Het silicium substraat in de chipindustrie is namelijk zeer zuiver, wat het temperatuurverloop zeer voorspelbaar maakt. Het ontwerp profiteert in principe ook sterk van schaling: hoe beter de afstand tussen verwarming en detector bepaald is, hoe nauwkeuriger de meting.

Maar voor de verwerking van het signaal was tot nog toe steeds een analoog gedeelte nodig: ‘We stoppen een blokgolf in de heater, dus je krijgt een continu ac-signaal bij je sensor. Dan gebruiken we een fasedetector om het tijdsverschil te bepalen’, legt Makinwa uit. Voor integratie op een microprocessor moet het ontwerp echter in 40 nanometer of kleiner worden gemaakt. Ook dit analoge circuit liet zich echter niet schalen.

Op zijn digitaals

Makinwa en Van Helleputte grepen daarom beiden naar een alternatief voor het voltagedomein: de tijd. ‘We wilden in onze keten zo snel mogelijk naar iets waar we wel profijt hebben van meer digitaal-achtige implementaties, en dan komen we bij tijddomeinimplementaties. Dat wordt al langer gebruikt bij adc-blokken en dergelijke’, weet Van Helleputte.

In zijn werk wordt de input via een comparator met een referentiesignaal gecombineerd tot een blokgolf die het signaal codeert in de pulsbreedte. Hier wordt de verdere signaalverwerking op uitgevoerd. ‘Het is eigenlijk een soort delta-sigma-adc maar dan met tijd in plaats van voltage. De input gaat direct naar een comparator, het enige min of meer analoge blokje. Dit maakt het zeer simpel om alle moeilijkheden die met analoog komen eruit te designen. Daarmee wordt het schaalbaar. Wij hebben het nu aangetoond in 40 nm.’

Ook Makinwa wist het traditionele 180-nm-ontwerp met een tijdgebaseerde aanpak naar een 40-nm-node te krijgen. ‘Een voltage-controlled oscillator transformeert de uitgang van het thermokoppel direct in een frequentie. Dat is min of meer een digitaal signaal, dus dan kun je de fasedetectie ‘op zijn digitaals’ doen.’

Te groot en te duur

Ook van Imec komt een inzending rond transmitters voor cellulaire standaarden zoals 4g. Dit betreft ook een digitaliseringsprobleem, maar dan eigenlijk omgekeerd: bij deze paper ging het niet om de verwerking van een externe meting maar om het filteren van een digitaal gegenereerd signaal dat naar analoog wordt omgezet. ‘Er is natuurlijk een trend naar meer digitale transmitters; de laatste jaren zijn er daarom verschillende aanpakken geweest om de da-conversie zo kort mogelijk bij de antenne te zetten en zo weinig mogelijk analoge circuits te hebben’, vertelt Jan Craninckx, een van de auteurs. ‘Maar deze zogeheten rf-dac’s hebben allemaal het intrinsieke nadeel dat ze toch wel wat out-of-band-vervuiling uitsturen, dus op frequenties die eigenlijk van een andere gebruiker zijn, of zelfs op een frequentie waarop je zelf iets wilt ontvangen. Zulke verstoringen moeten te allen prijze vermeden worden.’

Er zijn, kort door de bocht, twee manieren waarop de dac ruis introduceert. Ten eerste de kwantisatieruis, die ontstaat door de mismatch tussen de continue analoge waarden en het discrete digitale getal. Ten tweede de aliasing, wat erop neerkomt dat de dac ook een ongewenste kopie van het signaal uitzendt op hogere frequenties, rond de bemonsteringsfrequentie.

De problemen zouden opgelost kunnen worden door de rf-dac veel hoger te speccen: meer bits aan resolutie verlaagt de kwantisatieruis, een hogere bemonsteringsfrequentie gaat de aliasing tegen. Maar cellulaire standaarden stellen zulke hoge eisen aan de out-of-band-ruis dat de rf-dac te groot en te duur zou moeten worden om daar nog aan te voldoen. Daarom is het tot nog toe effectiever om high-end transmitters analoog uit te voeren, waar de ongewenste componenten makkelijk kunnen worden weggefilterd.

De ladinggebaseerde rf-dac van Imec filtert zelf de out-of-band-ruis weg.

De Imec-onderzoekers hebben echter een alternatief ontwerp voor een rf-dac uitgedokterd dat gelijk dienstdoet als filter. ‘Normale dac’s werken meestal met stromen’, verklaart Craninckx. ‘Een 10 bit converter heeft 1024 stroombronnen die je een voor een aanschakelt. Wij werken echter in het ladingsdomein: de dac dumpt incrementeel lading op een condensator totdat het gewenste niveau bereikt is. Dat lijkt niet zo spectaculair, maar daardoor hebben we een ingebouwde filtering. Wij laten een specifieke tijd een stroom door een weerstand lopen. Dat resulteert in een stroom die de gewenste hoeveelheid lading op de condensator zet. Zo bezien, heb je een weerstand en een condensator, oftewel een rc-filter.’

Behoorlijk tevreden

Dat het een vernuftig ontwerp is, zagen Craninckx en zijn medeauteurs bevestigd met de Jan van Vessem-award voor de beste Europese paper, die ze tijdens de ISSCC in ontvangst mochten nemen. Niet voor hun inzending in februari, maar voor hun bijdrage van het jaar ervoor, waarin ze het principe introduceerden.

Hun paper dit jaar gaat over hetzelfde onderwerp. ‘Vorig jaar hadden we een ontwerp gemaakt gebaseerd op switched capacitors. Dit jaar hebben we een krachtigere versie gemaakt met weerstanden. Daarmee kunnen we het wat efficiënter implementeren en hebben we minder power-verliezen. We kunnen nu direct een belasting van vijftig ohm aansturen, waar we er vorig jaar nog een versterker tussen hadden zitten. De mos-transistoren worden zo ook echt als een digitaal device gebruikt, waardoor het goed schaalt.’ Het plan is om het ontwerp de komende jaren nog verder te verfijnen. Zo moeten onder meer de vermogens nog wat omhoog.

En hoe zit het met de andere twee inzendingen? Voor Makinwa is het duidelijk: de industrie moet ermee aan de slag. Niet voor niets heeft hij een demonstratiechip gemaakt met een groot aantal sensoren, 144 om precies te zijn. Dat moet processormakers het nodige vertrouwen geven dat het echt werkt in de praktijk. Volgens de Delftse hoogleraar lopen er al verkennende gesprekken met een chipfabrikant waarvan hij de naam niet mag noemen.

Zover is het team van Van Helleputte nog lang niet; sterker nog: het onderzoek is in eerste instantie bedoeld om te kijken of de aanpak überhaupt haalbaar is, want er zijn ook andere mogelijkheden, bijvoorbeeld om de digitale signaalverwerking gewoon met een analoog bemonstercircuit te combineren. ‘We zijn gestart om te kijken of hier muziek in zat, maar ik denk dat we behoorlijk tevreden zijn met de initiële resultaten’, zegt Van Helleputte. ‘We kunnen een zeer mooi ecg meten en ten opzichte van 180 nanometer hebben we twee ordegroottes area-reductie. Maar er is zeker ruimte voor verbetering, bijvoorbeeld in de ruis. En ik denk dat we ook weer gaan uitbreiden naar andere medische signalen zoals we die ook in onze 180-nanometerversie hebben.’