– Vi hade som mål att komma ner till halva energiförbrukningen jämfört med bästa konkurrenten, säger Geir Førre, grundare av norska Energy Micro. Men vi lyckades komma ner till en fjärdedel, trots att vi har en mycket kraftfullare processor.

Det talades mycket om Geir Førre för ett par år sedan. Efter att han sålt Chipcon till Texas Instruments startade han ett nytt företag, Energy Micro, som skulle ta fram världens energieffektivaste enkapseldator. Alla var väl inte helt övertygade om att han skulle kunna lyckas slå sig in på en så konkurrensutsatt marknad. Och när han meddelade att han valt att basera konstruktionen på ARM-kärnan stod det klart att Energy Micro skulle tvingas konkurrera direkt med både STMicroelectronics och NXP.
Men det ser ut som om Geir Førre har lyckats upprepa framgångarna från Chipcon, åtminstone vad gäller tekniken. Hans konstruktörer kommer från Chipcon, Atmel, Nordic Semiconductor och Silicon Laboratories och har ett gediget kunnande när det gäller att konstruera energisnålt. Nu finns de första kretsarna klara för lansering och prestanda är imponerande.
– Vi satsade från början på att nå så låg total energiförbrukning som möjligt i verkliga applikationer. Det innebär mycket mer än bara en processorkärna med låg effektförbrukning. Det gäller kunna få ut så många timmars batteridrift som möjligt i verkliga tillämpningar.
För att nå minimal energiförbrukning såg konstruktörerna förstås till att hålla ner den aktiva effektförbrukningen. Processorerna ligger på ca 195 µA/MHz vid 3 V. Det är till och med lägre än MSP430 från Texas Instruments.
Om man sedan jämför hur mycket de olika processorerna får gjort vid samma klockfrekvens blir skillnaden ännu större. Här får många av de gamla åttabitsarkitekturerna problem, eftersom de måste vara aktiva mycket längre tid än den effektivare Cortex-M3-kärnan.
Men ännu viktigare är att hålla ner effektförbrukningen i viloläge, eftersom en typisk lågeffektkonstruktion nästan hela tiden ligger i viloläge. Här har Energy Micro lyckats att få ner "deep sleep" till 0,9 µA och "shutoff" till 50 nA. Det är lika bra som de mest strömsnåla åttabitsprocessorerna och dramatiskt bättre än övriga ARM-baserade komponenter.
– Men en oerhört viktig faktor är också att snabbt kunna gå upp och ner i viloläge. Många arkitekturer har relativt lång uppvakningstid och där förlorar man mycket, speciellt i applikationer som måste vakna upp kanske hundra gånger per sekund. Här ligger vi lika med de allra snabbaste arkitekturerna och upp till en faktor femtio bättre än somliga.
I ett test som Energy Micro har gjort lät man processorn vakna upp 25 gånger per sekund och utföra ett givet arbete som motsvarade en aktiv period av 0,5 procent med företagets Cortes-kärna. Det gav en batterilivslängd på ca 14 år med ett vanligt CR2032-batteri (Litium-knappcell). Bästa konkurrent hamnade på 3,4 år och övriga Cortex-baserade enkapseldatorer hade mycket svårt att komma över ett år.
– Den avgörande faktorn är förstås viloströmmen, men den näst bästa komponenten hade faktiskt lägre viloström, men ändå bara en fjärdedel av batterilivslängden.
Processorarkitekturen är viktig för att få bra prestanda och rimlig energiförbrukning, men fördelarna är lätta att slarva bort i ineffektiva periferienheter. Här har Energy Micro lagt ner mycket arbete på att göra alla enheter energieffektiva.
– A/D-omvandlaren kräver bara 200 µA i full fart och 12-bits omvandling. Men den går också att dra ner till 20 µA vid låg hastighet. Och om man nöjer sig med 6 bits upplösning kommer vi ner till 0,5 µA.
På samma sätt finns det både normala seriekanaler och extrem lågenergikommunikation. Här går det att kommunicera i upp till 9600 baud med bara 0,1 µA. Och alla periferienheter går att programmera för att köra autonomt.
– Det finns ingen anledning att dra igång processorn bara för att hämta data eller göra andra periferifunktioner. Allt kan programmeras för att gå oberoende av processorn.
Om man räknar in möjligheten till autonoma periferifunktioner förbättras företagets jämförelse ännu mer.
– Då går vi från 13,9 år till mer än tjugo år med ett knappcellsbatteri. Det är otroligt bra och betydligt bättre än vad vi från början trodde skulle vara möjligt.
Den extremt låga energiförbrukningen gör att enkapseldatorn kan användas i till exempel enheter som opereras in i kroppen eller intelligent medicin. En viktig applikation är också mätaravläsning av olika slag.
Priset för en enkapseldator ligger på ca 1,55 dollar i 100k-kvantiteter. Komponenterna tillverkas i en 180 nm-process hos Taiwan-foundryn TSMC.
– Det går ännu inte att använda finare geometrier eftersom läckströmmen då blir för hög. Men vi ser att teknik för att reducera läckströmmen i extremt fina geometrier börjar användas också i mer traditionella processer och det gör att vi kommer att kunna krympa ytterligare om ett par år.
Geir Førre tror att Energy Micro ligger ca fyra år före konkurrenterna och han ser inga som helst problem med att ha företaget baserat i Norge.
– Vi producerar ju inte komponenterna här, så vi har inga ekonomiska nackdelar på det sättet. Dessutom är det praktiskt att vara baserad i en del av världen som de flesta gillar. Vi kan marknadsföra oss överallt, utan att någon har politiska invändningar.

Filed under: Nordisk Teknik