SOTBを用いたマイコンの電力最適化

近年、バッテリ駆動のモバイル機器から大規模なデータセンタのコンピュータまで消費電力は深刻な問題となっている。消費電力を下げるためには低電源電圧化が必要であるが、これに伴い先端プロセスではスレッショルド電圧Vthのばらつき増加が問題になっている。この問題に対処するため，超低電圧デバイス技術研究組合(LEAP)によりSilicon On Thin Buried Oxide(SOTB)が開発された。このSOTBはFD-SOIの構造なので、基板浮遊効果が発生しにくく、Vthのばらつきを抑えることができ、基板バイアスを制御することによりリーク電力と遅延を制御できることが特徴である。このSOTB技術によるLEAP 65nmプロセスを用いて車載用マイコンV850E-Starを設計、実装している。本稿では、SOTBのbulk版プロトタイプであるLPT-3でマイコンを実装し、その稼働時、待機時のバイアス電圧と電力の関係を明らかにするため、40種類のリバースバイアスとフォワードバイアスを使用して、シミュレーションおよびプロトタイプチップでの実機測定を行った。エネルギー効率を最大にするバランスモードでは、動作周波数は最大33MHzで動作する。一方、リーク電力を最大限減らす待機モードでは、このバランスモードに比べて最大92%リーク電力を削減できることがわかった。Nowadays, from battery supplied mobile devices to supercomputers, reducing the power consumption has become a serious design issue. Although using low power supply is the most efficient way to reduce the power, it also increases the leakage power and delay variance. Low-power Electronics Association & Project (LEAP) developed Silicon On Thin Buried Oxide (SOTB) technology in order to solve those problems. Since the SOTB employs fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) CMOSFET, not only floating-body effects but also bias of threshold voltage can be suppressed. In order to verify the SOTB technology, we have applied to an automotive microcontroller V850E-Star. In this report, we investigate the operational speed and leak power with 40 kinds of reverse bias and forward bias voltages of a prototype microcontroller which was developed by bulk cells of the SOTB process. We found three bias voltages for each purposes: standby, energy maximum and performance maximum. In the standby mode, leak power of the energy maximum mode is reduced by 92%, while it works with 33MHz frequency clock in the energy maximum mode.