Couverture ElectroniqueS n°127

DOUCEMENT MAIS SÛREMENT, LE FD-SOI PROUVE SA CRÉDIBILITÉ POUR LES COMPOSANTS À FAIBLE CONSOMMATION, Y COMPRIS POUR DE FORTS VOLUMES DE VENTES. Fabriqué dans la technologie FD-SOI 22 nm de GlobalFoundries, cet accélérateur IA délivre jusqu'à 2 900 Tops/W grâce à une architecture basée sur le calcul analogique en mémoire. Les composants basés sur des substrats de type FD-SOI ne représentent qu'une toute petite portion de la production de semi-conducteurs, mais ils n'en constituent pas moins des options intéressantes pour toutes les applications où la sobriété énergétique s'impose comme le critère de choix numéro un. Rappelons que les substrats FD-SOI (fully depleted silicon on insulator) reposent sur une couche isolante qui réduit drastiquement les courants de fuite tout en augmentant la robustesse des composants. Exemple récent de l'efficacité énergétique des substrats FD-SOI : la famille Certus-NX de FPGA que vient de lancer Lattice Semiconductor. Ces modèles combinent un encombrement réduit (à partir de 6 x 6 mm) et le support d'interfaces rapides PCI Express Gen 2 à 5 Gbit/s, Gigabit Ethernet et DDR3 1 066 Mbit/s. Deuxième famille de la gamme Nexus fabriquée dans la technologie FD-SOI 28 nm à faible consommation de Samsung, les Certus-NX embarquent jusqu'à 39 000 cellules logiques, 2,9 Mbits de mémoire, 56 multiplieurs 18 x 18, 192 entrées/ sorties programmables et deux convertisseurs analogique-numérique 12 bits 1 Méch./s à approximations successives. Un bloc de cryptage de données AES-256 assure la sécurité de l'application en protégeant le fichier de configuration (bitstream) contre l'accès, l'altération et la copie. Les entrées/ sorties sont configurées en 3 ms, l'ensemble de la puce en 8 à 14 ms selon les modèles. CONSOMMATION RÉDUITE DE 70 % Dans les applications où ils servent de pont entre deux interfaces, les Certus-NX peuvent implémenter une solution PCIe complète sur 36 mm² seulement, et offrent une densité (en termes d'entrées/ sorties par millimètre carré) double des circuits logiques programmables concurrents selon Lattice. En termes de consommation, la société d'analyse Linley Group estime que la réduction de puissance consommée avoisine les 70 à 75 % par rapport à des modèles proches, en l'occurrence les Artix-7 50K de Xilinx et Cyclone V GT 77K d'Intel. Le cœur fonctionne sous une tension de 1 V seulement. En outre, le substrat FD-SOI, avec sa couche d'isolation, améliore la fiabilité de la puce en évitant la plupart des erreurs soft aléatoires au niveau de la Sram par rapport à un substrat Cmos classique. Fervent supporter du FD-SOI, NXP Semiconductors a lan-cé la production en volume de sa famille i.MX RT600 de processeurs hybrides, ces circuits dotés d'une ossature de microcontrôleur (ici, un cœur Cortex-M33 assorti d'un coprocesseur DSP et d'un autre pour le cryptage de données) mais fabriqués dans un process de pointe et sans mémoire flash, pour en réduire le coût tout en augmentant la fréquence de fonctionnement. Produits en FD-SOI 28 nm, les RT600 sont cadencés jusqu'à 300 MHz. Certains modèles sont également pourvus d'un moteur DSP audio HiFi 4 de Tensilica (Cadence) à quadruple MAC 32 x 32 tournant jusqu'à 600 MHz et de 4,5 Mo de Sram. Les interfaces comprennent un bus I 3 C, un contrôleur USB avec PHY intégré, des ports pour carte mémoire SD/eMMC, deux moteurs DMA 32 canaux, un port flash SPI Octal/Quad avec décryptage à la volée et une interface numérique pour microphone à huit canaux. Ces circuits sont vendus à partir de 4,50 dollars pièce par quantité de 10 000. UN CORTEX-M0+ À 12 µA/MHz Un peu à part dans le catalogue de Renesas Electronics car basés sur un process spécifique de Soitec dit silicon on thin buried oxide (SOTB) voisin du FD-SOI, les microcontrôleurs RE se sont enrichis d'une nouvelle famille, les R7F0E01182xxx. Toujours architecturés autour d'un cœur Cortex-M0+ et destinés aux applications à très faible consommation, ces circuits n'embarquent que 256 Ko de mémoire flash (contre 1,5 Mo sur les modèles existants) et 128 Ko de Sram. Ils conviennent donc aux systèmes d'entrée de gamme compacts, avec des options de boîtier allant du WLBGA à 72 contacts (3,16 x 2,88 mm) au LQFP 100 broches (14 x 14 mm). Les RE01 consomment typiquement 25 µA/MHz lorsqu'ils utilisent le régulateur LDO interne et 12 µA/MHz avec un convertisseur abaisseur DC-DC externe (comme l'ISL9123 du fabricant), pour un courant de veille logicielle de 400 nA. Ils tournent jusqu'à 64 MHz sous 1,62 V à 3,6 V. Leur score au banc d'essai EEMBC ULPMark-CP atteint 705, soit bien davantage que les autres microcontrôleurs à basse consommation testés tels que l'ATSAML11E16A de Microchip (410), le STM32L412 de STMicroelectronics (447) et même les Apollo512 d'Ambiq Micro (553). « Nous espé-rons que ce score fasse mieux connaître notre famille de microcontrôleurs RE », confie Hiroto Nitta, vice-président de Renesas chargé entre autres de l'Internet des objets. Naturellement doué pour limiter les courants de fuite, le substrat SOTB utilisé ici présente une couche d'oxyde enterrée extrêmement fine, permettant de contrôler au plus juste les propriétés électrostatiques des transistors (contrôle de polarisation, variabilité en faible tension…). À noter que les RE01 intègrent huit à douze canaux de conversion analogique-numérique 14 bits ne requérant que 4 µA et, en option, un bloc de sécurisation des données. Figure également au menu un contrôleur de récupération d'énergie, facilitant la connexion à un capteur photovoltaïque par exemple. Leur prix démarre à 3,33 $ pièce par lot de 10 000 en boîtier LQFP. Également impliqué dans les technologies FD-SOI, l'Imec a collaboré avec GlobalFoundries pour développer un accélérateur d'intelligence artificiel fabriqué dans le process 22FDX de l'américain. Ce circuit reprend l'architecture AiMC (analog in memory comuting) du centre de R&D belge pour, comme son nom l'indique, effectuer des calculs de réseaux neuronaux en analogique directement au niveau de cellules mémoires. Ciblant les appareils dont le budget énergétique est compté, il développe jusqu'à 2 900 Tops/W. Associée au process FD-SOI 22 nm de GlobalFoundries qui permet de fonctionner sous 0,5 V seulement et avec un courant de fuite extrêmement faible, l'architecture AiMC ouvre la voie à des algorithmes de reconnaissance de motifs exécutés dans des appareils d'extrêmité de réseau à faible consommation, et non plus dans des centres de données distants. 4,5 Md$ DE CIRCUITS FD-SOI VENDUS PAR GLOBALFOUNDRIES GlobalFoundries va d'ailleurs porter cette architecture AiMC dans sa plateforme 22FDX afin de la rendre disponible à tout fabricant impliqué dans l'intelligence artificielle, notamment dans son usine de production sur tranches de 300 mm Fab1 de Dresde. Pour l'heure, la plateforme 22FDX a servi à fabriquer plus de 350 millions de puces pour une valeur avoisinant les 4,5 Md$. GlobalFoundries vient d'ailleurs de lancer la plateforme 22FDX+, qui reprend les fonctionnalités de sa devancière en ajoutant de nouvelles capacités, à commencer par des fonctions radiofréquences plus performantes pour les modules frontaux.

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