Одной из ключевых задач для Apple при разработке Apple Watch было обеспечение приемлемого времени автономной работы устройства, несмотря на энергоемкие компоненты, такие как основной процессор и дисплей.
С выпуском watchOS 3 на конференции WWDC в июне Apple продемонстрировала возможность одновременной работы нескольких приложений Apple Watch с обновлением в фоновом режиме, признав, что первоначальный подход к управлению питанием и другими системными ресурсами был консервативным, но реальный опыт показал, что устройство может справляться с более требовательными задачами.
Помимо улучшений программного обеспечения, будущие поколения Apple Watch должны стать более эффективными на аппаратном уровне, а одним из основных направлений для улучшения являются новые версии чипа S1, который служит «мозгом» устройства. Учитывая это, мы детально изучили, что может предложить полупроводниковая технология в будущем для устройств с ограниченным временем автономной работы, таких как Apple Watch.
По мере того как транзисторы достигают физических пределов своего размера в современных полупроводниковых процессах, становится все труднее и, следовательно, дороже делать их меньше. Помимо того, что стоимость одного транзистора перестает снижаться, становится также сложнее контролировать потери мощности или утечку. Новые геометрии транзисторов, такие как непланарные «3D» FinFET, становятся популярными для решения проблемы утечки, но поскольку носимые устройства, такие как Apple Watch, начали вызывать интерес потребителей, достигнутые в этих полупроводниковых процессах преимущества просто недостаточны.
Для носимого устройства, такого как Apple Watch, контроль энергопотребления в режиме ожидания имеет решающее значение для сохранения конкурентоспособного общего времени автономной работы. Потребность в сверхнизком энергопотреблении и более дешевых кремниевых процессах, которые также конкурентоспособны по производительности, привела к использованию транзисторов, изготовленных с использованием более традиционных методов литографии с более высокими затратами на подложку.
Ведущей технологией этого типа является полностью обедненный кремний на изоляторе, или FD-SOI. Технология FD-SOI отличается от традиционных «массивных» транзисторов (используемых в устройствах Apple до и включая A8) двумя основными способами. Первое улучшение заключается в том, что сверхтонкий канал поверх изолирующего корпуса устраняет необходимость легирования канала дополнительными носителями заряда (положительными или отрицательными), устраняя источник вариативности устройств, который может снизить производительность. Второе улучшение заключается в том, что изолирующий корпус и другие характеристики значительно снижают ток утечки.
Дополнительные преимущества этого процесса заключаются в возможности динамически управлять производительностью переключения транзисторов путем смещения корпуса транзистора. Это также можно делать в традиционных массивных полупроводниках, но ценой снижения производительности утечки. В случае транзисторов FD-SOI это означает, что производительность транзисторов может модулироваться в реальном времени.
Современные чипы уже используют различные формы динамического масштабирования частоты и напряжения (DVFS), но благодаря использованию прямого смещения корпуса возможности управления транзисторами FD-SOI еще шире. Транзисторы могут динамически управляться для более быстрого переключения путем модуляции количества напряжения, которое должно быть подано на затвор устройства, чтобы эффективно сформировать канал для работы транзистора.
Это динамическое управление между прямым и обратным смещением корпуса означает, что транзисторы могут работать при чрезвычайно низких напряжениях, близких к пороговому значению. Работая всего при 0,5 В, потребление энергии может быть значительно снижено, поскольку мощность устройства часто напрямую коррелирует с квадратом (или кубом) приложенного напряжения.
Эта технология важна для носимых устройств, поскольку основной системный чип (SoC) может в значительной степени влиять на энергопотребление устройства, особенно когда большая часть использования приходится на режим ожидания, как показано на примере устройства на базе Android справа. Обзоры показали, что неправильный SoC может полностью испортить производительность батареи умных часов. Другим важным фактором в расходе батареи умных часов является экран — компонент, в котором Apple в значительной степени зависит от своих поставщиков, чтобы получить продукт с приемлемой производительностью.
Быстрый оборот в дизайне групп процессоров Apple, в дополнение к одновременному выпуску SoC A9 на конкурирующих процессах FinFET, свидетельствует о том, что Apple обладает техническими возможностями для внедрения дополнительного процесса проектирования в свою продуктовую линейку. Фактически, мы знаем, что оригинальный SoC S1, используемый в первом поколении Apple Watch, был изготовлен по 28-нм LP-процессу Samsung, в отличие от лидирующего 20-нм процесса, который был бы доступен в то время.
Не будет необоснованным предположить, что Apple может сделать своего рода боковой шаг и принять 28-нм FD-SOI-процесс Samsung, который доступен сейчас. В дальнейшем существует возможность использования 22-нм FD-SOI-процесса, и эта технология, несомненно, будет продолжать развиваться, если рынок подтвердит спрос с течением времени.
FD-SOI также имеет огромный потенциал для аналоговых и радиочастотных (RF) приложений благодаря своим низким характеристикам утечки. Не будет удивительно, если поставщики RF-фронтенда, такие как Qualcomm, начнут использовать FD-SOI для своих модемов и многодиапазонных усилителей, и если наем Apple инженеров с RF-экспертизой когда-либо принесет свои плоды, это будет подходящий вариант для более кастомных компонентов непосредственно от Apple. В любом случае, не удивляйтесь, если аналитические обзоры следующих Apple Watch преподнесут несколько сюрпризов, когда фирмы по разборке устройств возьмут в руки свои микроскопы.
