さまざまなモバイルおよびウェアラブル アプリケーションで低電圧コンポーネントを使用する傾向と影響について学習します。設計者が低電圧、低電力のシリアル フラッシュ デバイスを使用して電力回路を簡素化し、大幅な電力を節約する柔軟性を獲得する方法を説明します。
モバイルデバイスやウェアラブルデバイスに対する消費者の愛情は、衰える気配がありません。モバイル製品では、バッテリーのサイズと重量は最も困難で難しい設計制約の1つです。バッテリーが小さくなれば、設計者は最終製品の設計を縮小したり、節約したスペースを使用して貴重な機能を追加したりできるようになります。しかし同時に、ユーザーはバッテリーの駆動時間に細心の注意を払っており、充電頻度が少ない製品を強く好みます。
したがって、電力予算から節約される1ミリワットは、製品設計者にとって重要です。そして彼らにとって、業界でさまざまな標準電圧（多くの場合1.8V以上）の電源レールが使用されていることは、利点ではなく問題です。これは、多くのコンポーネント（特にデジタル領域で動作するコンポーネント）が、多少の修正を加えることで1.8V未満の電圧の電源レールで動作できるようになり、アクティブ時とスタンバイ時の電力消費を大幅に節約できるためです。
そのため、半導体メーカーには、より低い電圧での動作をサポートしたいという顧客の要求に応えるよう圧力が高まっています。では、電子部品業界はどのようにして低電圧規格への移行を実現するのでしょうか?システム設計者は、新世代の低電圧コンポーネント製品を活用するために、今どのような準備をすべきでしょうか?
明確な移動方向
現在、システム設計者は通常、異なる電源電圧で動作するコンポーネントに対応するために、複数の電源レールを用意する必要があります。センサーなどのアナログ デバイスの電源は通常3Vですが、産業用アプリケーションでは5Vの場合もあります。従来のデジタル コンポーネントには、3.3 V、2.5 V、または1.8 Vの電源が使用される場合があります。電圧範囲の下限では、28nm以下などの高度なプロセス ノード上に構築された最新のアプリケーション プロセッサまたはシステム オン チップのコア動作電圧は1.0Vまで低下する可能性があります。
しかし、設計エンジニアリングのあらゆる分野と同様に、電力システムの設計では複雑さは本質的に望ましくなく、一般的には、電力レールの数が少ないほど良いとされています。これは、業界が最終的に1.8V未満のレベルの標準電圧に落ち着くことを望んでいることを意味します。これらの電圧はいくらになりますか?
図1は、DRAMテクノロジーが1.8Vを超えてメモリIC業界をリードしてきた様子を示しています。標準DDR2 DRAMは、1.8V電源を使用する最後のデバイスでした。その後、DDR DRAMは世代を重ねるごとに1.5V (DDR3)、1.37V (DDR3L) で動作し、最終的には現在のレベルである1.2V (DDR4) に達しました。
図1: 一般的なメモリ デバイス タイプでサポートされる動作電圧の範囲。黄色はDDR DRAM、緑色はWinbond NORフラッシュ（画像提供：Winbond）
したがって、DRAMの場合、1.8V未満の中間電圧が3つあります。図1には、標準の3V、2.5V、1.8Vレベルで動作する、 Winbond のNORフラッシュICの連続ファミリの電源要件も緑色で示されています。現在、最新のNORフラッシュ ファミリは、1.2Vと、公称1.5Vの拡張電圧範囲の2つの電圧範囲を提供しています。
W25QxxNEシリーズは、1.14V ～ 1.30Vの電源電圧をサポートします。W25QxxNDシリーズは「拡張1.5V」レベルで提供され、1.14V ～ 1.58Vの範囲で動作します。両製品シリーズとも、1Mビットから128Mビットまでの密度で提供されます。
Winbondは、最新世代のNORフラッシュICで1.2V電圧と拡張された1.5Vレベルをサポートすることで、自社の製品ラインナップをより広範な半導体業界と調和させることを目指しています。業界全体にとって、1.2Vレベルは理にかなっています。1.8Vからの低下は、電力消費を大幅に節約するのに十分です。拡張された1.5Vシリーズでカバーされる1.5Vと1.35Vの中間電圧では、WinbondはDDR3およびDDR3L DRAM製品で使用される電源とI/O電圧レベルに一致する戦略的な製品を提供します。電圧範囲が広くなると、完全に放電されたときの一般的な1.5Vバッテリーの終点電圧も活用できます。
Winbondのこれらの新製品は、1.8V未満の電圧レベルで電源レールを動作させるという半導体業界の一般的な動きと一致しており、顧客の間では1.2Vが広く支持されています。いくつかのテクノロジー企業と半導体メーカーは、プロセッサとメモリ製品がサポートするシステム電源のロードマップを持っています。このロードマップでは、3.3V電源レールの使用が減少し、近い将来に1.8Vが標準化されると予測されています。しかし、モビリティの低電力要件はテクノロジー企業と半導体サプライヤーの両方にとって重要であり、ロードマップでは、1.8Vの次の電圧レベルとして1.5V、1.35V、1.2Vのサポートも開始され、最終的には1.2Vが業界全体で標準化されると見込まれています。
Winbondは、価値と数量で世界最大のシリアルNORおよびシリアルNANDフラッシュのサプライヤーであり、シリアル フラッシュ分野の業界標準化の方向性に一定の影響力を持っています。Winbondは、W25QxxNEおよびW25QxxNDシリーズの導入により、1.2Vという低い電源電圧で動作する高性能シリアル フラッシュICを製造する技術的な実現可能性を実証しました。したがって、シリアル フラッシュを使用するOEMは、1.2 Vおよび拡張1.5 VシリアルNOR部品の広範な提供に向けたロードマップを自信を持って準備できるはずです。
大幅な有効電力の節約
シリアルNORフラッシュICを1.8V未満の電圧で動作させることで節約できる電力量は、もちろんアプリケーションによって異なります。超低電力シリアル フラッシュを使用する可能性のある最終製品の代表的な例としては、ハンドヘルドPOSマシン、スマート ウォッチ、電子書籍、GPSナビゲーション デバイスなどがあります。それぞれの場合、一般的なユーザーの行動に合わせて、0.5% ～ 5% の低いデューティ サイクルの電力予算をモデル化するのが一般的です。つまり、スタンバイ時の消費電力とアクティブ時の消費電力の両方が、総平均消費電力に重要な影響を及ぼすことになります。
図2は、1.2V電源で動作する8MビットNORフラッシュICであるW25Q80NEが、同等の1.8V部品に比べてアクティブ モードで通常33% の電力節約を実現することを示しています。
図2: 50MHzのクロック速度で1.2VシリアルNORフラッシュが提供するアクティブな電力節約
スタンバイ電力は、パワーダウンモードでは0.5µA未満と定格されます。比較すると、Winbondの1.8V W25Q80EWデバイスでは、パワーダウン電流は2倍 (<1µA) になります。
W25QxxNEシリーズではアクティブ モードとスタンバイ モードの両方で電力使用量が削減されるため、システム設計者は充電間のバッテリ動作時間を延長したり、バッテリのサイズと重量を削減したりできます。しかし、新しいデバイスにはさらなる利点もあります。まず、メモリをホストSoCまたはプロセッサに接続するトレースのノイズ結合が減少することで、電源回路にメリットがもたらされます。これは、トレースが運ぶ電力が減少することによる直接的な結果です。これにより、シールドなどのノイズ軽減対策を実装する必要性が緩和され、回路のノイズに敏感な要素のパフォーマンスが向上します。
1.2Vデバイスのもう1つの主な利点は、時間の経過とともに電源回路を簡素化できる可能性があることです (図3を参照)。SoC、アプリケーション プロセッサ、マイクロコントローラのサプライヤが1.2V電源レールを標準として採用するにつれて、大規模で複雑な電源管理IC (PMIC) を使用して複数の電源レールをサポートする必要がなくなり、システム設計者は低ドロップアウト レギュレータ (LDO) などのよりシンプルなコンポーネントを使用して、SoCに単一の1.2Vレールを提供できるようになります。これにより、ボードのスペースとコストを大幅に節約できる可能性があります。
図3: 1.8Vフラッシュを1.2Vフラッシュに置き換えると、設計者は電源回路を簡素化できます。
1.8Vデバイスと互換性のある機能セット
Winbondは、既存の1.8Vデバイスに合わせて、新しい1.2Vシリーズと拡張された1.5Vシリーズを設計しました。ほぼすべての点で、W25QxxNE部品は、供給電圧、有効電力、スタンバイ電力が低いことを除いて、W25QxxEW部品と同じ機能を備えています。また、1.2V W25QxxNEシリーズの最大動作周波数は1.8V W25QxxEWと同じ104MHzです。1.5Vおよび1.35Vレベルでは、W25QxxND部品も104MHzで動作します。拡張された動作電圧範囲を有効にするために、1.2Vでの周波数は低くなります。
W25QxxNEおよびW25QxxNDシリーズの104MHzの速度は、標準、デュアル、クアッド シリアル ペリフェラル インターフェイス (SPI) およびクアッド ペリフェラル インターフェイス (QPI) を介した操作をサポートし、最大52MB/秒のデータ転送速度を実現するため、モバイル、ウェアラブル、およびIoTデバイスの一般的なアプリケーションには十分です。このパフォーマンスは、DRAMへのコード シャドウイングとExecute In Place (XIP) 機能をサポートします。
Winbondの製品ポートフォリオは規模が大きく、パッケージ スタイルの選択肢も幅広いため、Winbondデバイス間のフットプリントの互換性もかなりあります。新しい1.2Vおよび拡張1.5V部品は、2mm x 3mm USONおよび狭幅150mil 8ピンSOPで提供されます。このSOPパッケージは、Winbondの1.8Vフラッシュ デバイスで使用される一般的なWSON 6x5パッケージ スタイルとフットプリント互換性があります。
1.8Vシリアル フラッシュ デバイスと同様に、1.2Vおよび拡張1.5Vシリアル フラッシュ パーツは、システム ソフトウェアへの変更を最小限に抑えて、同じ機能セットとパッケージ タイプをサポートします。これにより、設計者は低電圧および低電力のシリアル フラッシュ デバイスを使用して電源回路を簡素化できる柔軟性が得られ、さらに電力を節約できるという利点も得られます。W25QxxNE 1.2VおよびW25QxxND拡張1.5V部品は、完全にテストされたKnown Good Die (KGD) として、ウェハーおよびダイ形式でも入手可能です。
1.2Vおよび拡張1.5V電源レールの勢い
バッテリー駆動型デバイスのメーカーがさらなる消費電力の削減を模索する中、このトレンドは確実に加速するとみられており、Winbondは、シリアル フラッシュ セクターで1.2Vおよび拡張1.5Vデバイスを最初に市場に投入することを決定しました。W25Q80NE 8Mbit 1.2Vシリアル フラッシュ部品は現在サンプル提供されており、拡張された1.5V 8Mbit W25Q80NDシリアル フラッシュ部品がそれに続きます。さらなる密度は開発ロードマップ上で順調に進んでいます。
これらの1.2V製品は、Espressifのような低電力分野で活動する新しいチップセット企業によって設計され、承認されており、同社のCEOは次のように述べています。「ウィンボンドの低電力シリアルフラッシュ製品は、IoTアプリケーションやスマートコネクテッドデバイスに最適です」と、Espressif SystemsのCEO、Teo Swee Ann氏は述べています。「Winbond 1.2Vシリアル フラッシュ デバイスは限界をさらに押し広げ、当社の超低消費電力ESP32 WiFi-Bluetoothコンボ チップと組み合わせることで、消費電力をさらに削減できることが実証されました。当社のシステムでテストに成功しており、できるだけ早くモジュールの形で市場に投入したいと考えています。」
その結果、フラッシュ市場では、1.8V未満の次の電源ノードとして1.2Vと拡張1.5Vを標準化する準備が整い、システム設計者は将来の電源電圧として1.2Vを中心とした開発ロードマップを自信を持って計画できるようになります。