新しい半導体プロセスがApple Watchの電力効率向上に寄与

watchos_3_dock_lyft Apple Watchの開発においてAppleが直面した主な課題の1つは、メインプロセッサやディスプレイなど、電力を大量に消費するコンポーネントを搭載しながら、デバイスのバッテリー寿命を許容範囲内に維持する方法を見つけることだった。

Appleは6月のWWDCでwatchOS 3を発表し、複数のApple Watchアプリをアクティブなままにしてバックグラウンドで更新できる機能を披露した。これは、電力やその他のシステムリソースの管理に対する当初のアプローチが保守的であったものの、実際の経験によりデバイスがより要求の厳しいタスクを処理できることが示されたことを認めたものだ。

ソフトウェアの改良に加え、Apple Watchの次期世代はハードウェアレベルの効率化も必要となるでしょう。デバイスの頭脳として機能するS1チップの最新バージョンが、その主な改良点です。この点を念頭に、Apple Watchのようなバッテリー容量の限られたデバイスに関連する半導体技術の将来像について、技術的な観点から考察してみました。

現代の半導体プロセスにおいてトランジスタが物理的なサイズ限界に達し始めると、トランジスタの小型化はより困難になり、結果としてコストも増大します。トランジスタあたりのコストが縮小しなくなるだけでなく、無駄な電力、つまりリーク電流を制御することも困難になります。非平面型「3D」FinFETなどの新しいトランジスタ形状は、デバイスのリーク電流対策として普及しつつあります。しかし、Apple Watchなどのウェアラブルデバイスが消費者の関心を集め始めるにつれ、これらの半導体プロセスで得られるメリットは依然として十分ではありません。

Apple Watchのようなウェアラブルデバイスでは、スタンバイモードでデバイスがアイドル状態にある際の電力消費を制御することが、全体的なバッテリー駆動時間を競争力のあるものにするために不可欠です。超低消費電力で、性能面でも競争力のあるシリコンプロセスへの需要が高まり、基板コストの高い従来のリソグラフィ技術で製造されたトランジスタが台頭してきました。

この種類の最有力候補技術は、完全空乏型シリコン・オン・インシュレータ（FD-SOI）です。FD-SOI技術は、従来の「バルク」トランジスタ（A8以前のAppleデバイスに搭載）を主に2つの点で革新的に進化させています。1つ目の改善点は、絶縁体上に超薄型のチャネルを形成することで、チャネルに正または負の電荷キャリアを追加でドーピングする必要がなく、性能最適化を妨げる可能性のあるデバイスばらつきの原因を排除できることです。2つ目の改善点は、絶縁体およびその他の特性により、リーク電流が大幅に低減されることです。

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このプロセスのさらなる利点は、トランジスタ本体へのバイアス印加によってトランジスタのスイッチング性能を動的に制御できることです。これは従来のバルク型半導体でも実現可能ですが、リーク電流性能に影響を与えるという欠点があります。FD-SOIトランジスタの場合、トランジスタの性能をリアルタイムで制御することが可能になります。

現代のチップには既に複数の形式の動的周波数・電圧スケーリング（DVFS）が搭載されていますが、FD-SOIトランジスタの制御能力は、順方向ボディバイアスを用いることでさらに向上します。トランジスタを動作させるためのチャネルを効果的に形成するためにデバイスゲートに印加する必要がある電圧量を変調することで、トランジスタを動的に制御し、スイッチング速度を向上させることができます。

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順方向と逆方向のボディバイアスを動的に制御することで、トランジスタは閾値付近の極めて低い電圧で動作できるようになります。デバイスの消費電力は印加電圧の2乗（または3乗）に比例することが多いため、わずか0.5Vで動作させることで消費電力を大幅に削減できます。

Android_Watch_バッテリーこの技術がウェアラブルデバイスにとって重要な理由は、メインのシステムオンチップ（SoC）がデバイスの消費電力の大部分を占める可能性があるためです。特に、右のAndroidベースの例に示すように、ほとんどの使用状況がアイドル状態にある場合、その傾向は顕著です。レビューによると、不適切なSoCを使用すると、スマートウォッチのバッテリー性能が著しく低下することが示されています。スマートウォッチのバッテリー消費を左右するもう一つの大きな要因は画面です。Appleは、この部品において、許容できるパフォーマンスの製品を提供するために、ベンダーの意向に大きく左右されます。

Appleのプロセッサグループによる迅速な設計ターンアラウンドに加え、競合するFinFETプロセスでA9 SoCを同時リリースしたことは、Appleが自社の製品群に新たな設計プロセスを導入するだけの技術的余裕を持っていることを示しています。実際、初代Apple Watchに搭載されたオリジナルのS1 SoCは、当時主流だった20nmプロセスではなく、Samsungの28nm LPプロセスで製造されたことが分かっています。

Appleが、現在利用可能なSamsungの28nm FD-SOIプロセスを採用するという、ある程度の横滑りをする可能性は否定できません。さらに将来的には22nm FD-SOIプロセスの可能性もあり、市場の需要が時間とともに高まっていけば、この技術は間違いなく成長を続けるでしょう。

FD-SOIは、その低リーク特性から、アナログおよびRF回路アプリケーションにも大きな可能性を秘めています。QualcommなどのRFフロントエンドサプライヤーが、モデムやマルチバンドアンプアプリケーションにFD-SOIを採用するのも不思議ではありません。また、AppleがRFの専門知識を持つエンジニアを採用することが実現すれば、Appleから直接提供されるカスタムパーツの供給元としてFD-SOIが最適な候補となるでしょう。いずれにせよ、次期Apple Watchの分解調査会社が顕微鏡を使って分析を行った際に、驚くべき結果が得られたとしても驚かないでください。

新しい半導体プロセスがApple Watchの電力効率向上に寄与

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