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이번에 발표한 무선 센서 모듈의 개요. (출처 : VLSI 회로 기술위원회)


외부로부터의 전원 공급이 필요 없으며 반영구적으로 자율 구동하는 무선통신 기능센서 단말과 단말용 초 저전력 x86 마이크로 컨트롤러(MCU의)를 Intel이 개발하고 그 개요를 국제 학회 'VLSI 회로 심포지' "6월 16일에 발표했습니다. (강연 번호 8.1). IoT (Internet of Things) 분야의 무선 탑재 센서 네트워크를 구성하는 단말로 이용 할 수 있습니다.


 이번에 개발한 단말은 전력 공급을 위한 태양 전지 (크기는 1㎠) 전력 공급IC (에너지 하베스팅 IC) x86 아키텍처의 32bit 마이크로 컨트롤러, 전력 관리 IC, Bluetooth Low Energy (BLE) 규격의 무선 트랜시버 플래시메모리, 센서 군으로 구성됩니다.

 

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이번에 개발한 무선 센서 단말의 블록 다이어그램


370mV의 낮은 공급 전압에서 주파수가 3.5MHz로 높으며 소비 전력은 58μW로 낮음.

 

 x86 아키텍처의 초 저전력 32bit 마이크로 컨트롤러는 무선 센서 단말 전용으로 새롭게 개발했습니다. 14nm의 SoC (System on a Chip)용 트라이 게이트 CMOS 공정으로 제조하고 있으며, 실리콘 다이 면적은 0.79㎟로 매우 작습니다.

 

 마이크로 컴퓨터가 작동하는 전원 전압 범위는 308mV ~ 1V로 꽤 넓습니다. 동작 주파수는 전원 전압이 308mV 때 0.5MHz, 370mV 때 3.5MHz, 750mV 때 180MHz, 1V 때 297MHz로 동작합니다. 동작 사이클 당 소비 에너지가 최소가 되는 것은 전원 전압이 370mV 때의 동작 주파수는 3.5MHz, 소비 전력은 58μW, 1사이클 당 에너지 소비는 17.18pJ입니다.

 

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개발한 32bit 마이크로 컨트롤러의 전원 전압(횡축) 동작 주파수(위 그래프의 세로축) 에너지 소비(아래 그래프 왼쪽 세로축) 소비 전력(아래 그래프의 오른쪽 세로축).

 

 내부 회로는 CPU코어 1차 캐시, 부팅 ROM 공유 메모리, DMA(직접 메모리 액세스), SPI회로, 타이머, 범용 IO, I2C 회로, 전력 관리 겸 클럭 제어 회로로 교정 된 링 발진기 (CRO), 입출력 회로, 전원 회로 등으로 구성됩니다.

 

 이 회로는 특성이 다른 4 종류의 트랜지스터에 의한 셀 라이브러리를 구축 시켰습니다. HP(고성능) 트랜지스터, SP(표준 성능) 트랜지스터, ULP(초 저전력) 트랜지스터, TG(게이트를 두껍게 한) 트랜지스터입니다.

 

 HP 트랜지스터는 클럭 분배 회로에 채용하고 클럭 차이에 의한 클럭 스큐를 최소화했습니다. SP 트랜지스터 논리 회로에 채용한 로직으로 동작 속도를 확보 하였으며 TG 트랜지스터는 전원 전압이 높은 IO 회로에 사용하고 있습니다.

 

 ULP 트랜지스터는 메모리 회로에 채용하여 대기 모드 때의 소비 전력을 최소화 했습니다. 메모리 셀은 8개의 트랜지스터로 구성되어 있으며, 셀 면적은 0.155μm²와 14nm 기술로 상당히 큽니다. 메모리 셀의 누설 전류는 전원 전압이 308mV 때 8.3pA입니다. 8개의 SP 트랜지스터로 구성된 메모리 셀에 비해 누설 전력은 1/26로 매우 작아지고 있지만, 메모리 셀 면적은 55% 증가되어 있다고 합니다.


5개의 전원 도메인과 3종류의 에너지 절약 모드를 제공.

 

 전원 도메인은 총 5개. 코어 전원(Vcore), 상시온(Anytime On), 회로용 전원(Vaon), 링 발진기용 전원 (Vcro), 레벨 시프터용 전원 (Vls), IO 전원(Vio)로 구성됩니다. IO 전원(Vio)의 전압은 1.5V로 고정되어 있습니다. 기타 전원 전압은 코어 전원(Vcore)와 상시온(Anytime On) 회로용 전원 (Vaon), 레벨 시프터용 전원(Vls)는 기본적으로 동일한 전압으로 구성됩니다.


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개발한 x86 저전력 32bit 마이크로 컨트롤러의 내부 블록과 전원 도메인

 

 대기시의 소비 전력을 절약하는 에너지 절약 모드는 S3 ~ S0까지 4 종류(엄밀하게 따지면 에너지 절약이 되는 것은 3 종류)있다. 'S3'는 노멀 모드에서 정상 작동 모드이며 「S2」는 “짧은 수면”이라고 부릅니다. 약한 에너지 절약 모드에서 클럭 게이팅에 의해 CPU 코어는 최대 절전 모드가 되며, 소비 에너지 (사이클 당)은 일반 모드에 비해 38 % 정도 감소합니다. 노멀 모드로의 복귀는 μs만큼의 대기 시간을 필요로 합니다.

 

 'S1'은 “롱 슬립”라고 부르는 S2보다 강한 에너지 절약 모드입니다. 교정된 링 발진기(CRO)가 정지되면 전체가 클럭 게이팅이 됩니다. 전체 회로는 실시간 클럭(RTC 주파수 32kHz)에 의해 천천히 구동 됩니다. 소비 에너지(사이클 당)는 일반 모드에 비해 84% 정도 감소합니다. 노멀 모드로의 복귀는 ms만큼의 대기 시간을 필요로 합니다.

 

 "S0"는 “딥 슬립”이라고 부르는 가장 강한 에너지 절약 모드입니다. CPU 코어와 CRO의 전원 공급이 중단되고 상시온 (Anytime On) 회로에는 전원 공급이 가능하며 실시간으로 클럭에 의해 움직입니다. 소비 에너지(사이클 당)은 일반 모드에 비해 94%감소(1/16)으로 크게 감소하였습니다. 일반 모드로 복귀하는 데는 몇 초의 시간을 필요로 합니다.



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개발 한 32bit 마이크로 컨트롤러의 저전력 모드와 사이클 당 에너지 소비


실내 조명으로 무선 센서 단말은 지속적으로 실행

 

 개발한 마이크로 컨트롤러를 통합한 무선 센서 단말은 실내 조명(1,000 룩스)에서 연속적으로 동작이 가능하며, 이 동작은 BLE에 의한 데이터 전송을 포함 하고 있습니다.

 

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


 무선 센서 단말의 동작 예(시작에서 초기화 BLE 통신까지의 약 4 분). 간헐적으로 통신을 수행하는 것으로, 평균 소비 전력을 줄입니다.

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 무선 센서 단말에서 주로 에너지를 소비하는 것은 마이크로 프로세서 및 무선 통신입니다. 소비 전력이 매우 작은 마이크로 컨트롤러를 실현하는 것이 무선 센서 단말의 실용성을 크게 좌우하게 됩니다. x86의 32bit 마이크로 컨트롤러가 매우 적은 전력 소비를 달성 한 것은 큰 의미가 있는 것이라고 볼 수 있습니다.


출처 :http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/event/1006418.html#photo005_s.png

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