FR 3105883 A1 20210702 FR 1915810 A 20191231 Régulation Intelligente des Performances de Composants, Circuits et Systèmes Intégrés incluant des Dispositifs d’Autotest et une Gestion de l'Efficacité Énergétique. On propose la polarisation adaptative du substrat pour la récupération thermoélectrique et le contrôle intelligent des performances de radiofréquence incluant l'adaptation stochastique des antennes. La régulation et le contrôle des performances RF sont combinées avec la récupération de l'énergie thermique générée dans la puce pour être convertie en tension continue d'alimentation réutilisée pour l'alimentation en puissance (par exemple charge d'une batterie). Les avantages attendus de la récupération de l'énergie thermique incluent, sans y être limités, le développement d'applications sans batterie ou des solutions hybrides combinant différents types de domaines énergétiques (pourcentage distribué des batteries, énergie solaire, énergie mécanique). La récupération d'énergie proposée peut être appliquée aussi à la récupération de l'énergie RF pour la gestion de la puissance spectrale. Régulation Intelligente des Performances de Composants, Circuits et Systèmes Intégrés incluant des Dispositifs d’Autotest et une Gestion de l'Efficacité Énergétique. Antériorité et Valeur ajoutée de l'Invention Solutions de polarisation adaptative du substrat : Les techniques de polarisation adaptative du substrat [1-3] sont principalement utilisées pour les objectifs suivants : Performances de fiabilité [1-3] Annulation AM-PM de l’amplificateur de puissance pour l’amélioration de la linéarité [4] Capacité de reconfiguration d’amplificateurs de puissance avec capacité d’ajustement de valeurs de gain [1-3] L’invention propose l’utilisation d’une polarisation adaptative du substrat pour le contrôle et la régulation des performances RF avec autotest intégré (BIST) comprenant un accord d’antenne stochastique. La capacité à mettre en œuvre un accord d’antenne stochastique permet de relier des performances basées sur le rayonnement d’antenne avec des caractéristiques de circuits actifs RF (linéarité, isolation, niveaux de puissance, distorsion AM-PM, bruit hors bande, parasites, ACPR, EVM/EVM dynamique, caractéristiques de bruit, corrélations, VSWR, modulation de charge dynamique, etc.). Le fait de combler l’écart entre les performances d’antenne et les modules RFIC frontaux rend possible d’optimiser simultanément l’analyse fondamentale théorique électromagnétique (EM) de communications sans fil avec une adaptation d’impédance stochastique appropriée de dispositifs actifs, et les interférences et le couplage entre des éléments émetteurs de bruit. La régulation et le contrôle des performances RF sur la base d’une polarisation adaptative du substrat sont combinés avec une récupération d’énergie thermique-EM générée dans la puce pour une conversion en tension continue (DC) qui sera utilisée à son tour dans un but d’alimentation électrique (par exemple la charge d’une batterie). Solutions pour gérer la récupération d’énergie thermique-EM : L’augmentation continue de la dissipation thermique dans les puces impose des contraintes sévères et des exigences thermiques aux solutions de gestion des problèmes thermiques. Cela place la conception thermique des solutions de mise en boîtier sur le chemin critique dans le processus de développement. En conséquence, la dissipation résultante limite les performances finales de la puce, portant atteinte à la migration électronique et aux problèmes de rupture d’oxyde, qui dépendent tous les deux exponentiellement de la température [5-10]. Dans les approches de l’art antérieur, le refroidissement par air, assisté par des radiateurs, était considéré comme la solution principale pour résoudre les problèmes thermiques de mise en boîtier. La gestion thermique reposait fondamentalement sur des refroidisseurs en aluminium extrudé fixés par des agrafes ou collés, refroidis par des ventilateurs distants. Mais avec l’augmentation de la puissance des puces due à l’expansion de la technologie vers de plus en plus de fonctionnalités, les problèmes thermiques de mise en boîtier demandent des matériaux d’interfaces à plus faible résistance thermique. Toutefois, les limitations de puissance des batteries ont rendu obligatoire de canaliser l’air de la convection naturelle, pour circuler par des radiateurs à ailettes à faible hauteur et des conduits thermiques, ainsi que la présence de boîtiers métalliques chauffés par étalement, pour obtenir le refroidissement requis pour les puces gourmandes en énergie (à forte puissance). Toutes ces solutions et les techniques d’optimisation associées, comprenant un transfert de chaleur entre faces à partir de la puce vers le niveau suivant du boîtier thermique, fonctionnent sur la supposition qu’on retire de l’énergie thermique des puces, ce qui conduit à une certaine forme de gaspillage d’énergie thermique. En outre, l’infrastructure de gestion thermique ajoute de la consommation au budget énergétique global du système, et est la plupart du temps réalisée après la fin de la conception de la puce ou au moins à un stade très avancé avec des solutions de mise en boîtier dédiées. Les solutions de gestion thermique utilisent souvent de l’énergie provenant de batteries. Bien que les batteries offrent une solution simple, elles ont toutefois plusieurs inconvénients, comme leur taille, une capacité de stockage d’énergie limitée, une mauvaise indication de la capacité restante et une extraction peu efficace de l’énergie stockée. On propose une efficacité énergétique améliorée sur le plan électromagnétique, thermique et mécanique sur la base de contraintes répartie conçues conjointement sur les quatre domaines d’intégration puce, boîtier, circuit imprimé et antenne. On propose un autotest intégré (BIST) conjointement avec une régulation de polarisation intelligente adaptative du substrat comme solution de compensation pour ajuster et suivre dynamiquement des performances RF [10-17] en face de changements des propriétés de l’environnement (variations de processus-tension-température (PVT) et de l’adaptation. Solutions proposées et caractéristiques : L’invention combine les deux caractéristiques suivantes : Régulation intelligente adaptative de la polarisation du substrat et contrôle des performances RF pour des circuits et des systèmes en tenant compte d’un accord d’antenne stochastique simultanément en émission (TX) et en réception (RX). Solutions de récupération d’énergie thermique-EM pour une amélioration de l’efficacité énergétique. Polarisation adaptative du substrat pour le contrôle et la régulation des performances RF avec autotest intégré ( BIST ) comprenant un accord d’antenne stochastique Le principe général de la polarisation adaptative du substrat pour le contrôle et la régulation de performances RF avec autotest intégré (BIST) comprenant un accord d’antenne stochastique est présenté en figure 1 pour des modules frontaux. En figure 2, la polarisation adaptative du substrat est combinée avec le contrôle et la régulation par BIST de modules frontaux de blocs constitutifs d’émission et de réception. L’utilisation de régulation et de contrôle intelligent de polarisation adaptative du substrat d’amplificateurs de puissance doubles symétriques avec charge stochastique est illustrée en figure 3 avec une double optimisation des distorsions AM-PM comme cela est représenté en figure 4. Le développement d’un substrat FDSOI double BOX peut être une solution matérielle élégante pour l’optimisation de la plage d’excursion de tension. En effet, la plage de polarisation du substrat pour le FDSOI par l’intermédiaire de la grille arrière peut se faire dans une plage de polarisation limitée pour éviter des fuites entre les diverses jonctions PN au voisinage de la grille arrière. Grâce à la présence d’une couche d’oxyde mince juste en dessous de l’électrode de grille arrière, la plage de la polarisation appliquée à la grille arrière peut être étendue de manière avantageuse. Les avantages résultant de l’utilisation de la polarisation adaptative du substrat [18-30] supportant à la fois le mode complètement appauvri (FD - de l’anglais Fully-Depleted) et le mode partiellement appauvri (PD - de l’anglais Partially-Depleted) pour le contrôle et la régulation des performances RF comprennent les fonctionnalités suivantes : simultanément autotest intégré et accord stochastique d’antenne. La figure 6 et la figure 7 représentent l’utilisation d’un contrôle et d’une régulation à polarisation intelligente adaptative de substrat en mode réception où des amplificateurs à faible bruit (LNA) sont associés à des séparateurs et à des combinateurs. L’utilisation de polarisation adaptative du substrat aide à répondre aux défis très critiques du retard en temps vrai (TTD - de l’anglais True Time Delay) pour des systèmes à réseaux à commande de phase en palliant les problèmes suivants : Evitement du strabisme et des altérations à la fois dans le domaine spatial et le domaine temporel. Préservation de l’uniformité parmi les nombreux TTD composant des systèmes à réseaux. Platitude dans une large bande des performances RF et plage dynamique. Non-linéarités contrôlées avec une complexité réduite, plus grande compacité, meilleur poids et meilleur coût. EVM dynamique et régulation auto-chauffante. Régulation simultanée des performances RF dans les modes d’émission et de réception : par exemple suppression AM-PM et réduction des parasites tout en optimisant les caractéristiques de bruit. Bruit hors bande et efficacité énergétique spectrale. Réduction dynamique des lobes latéraux et processus de suppression d’interférences prenant en compte le rayonnement. Adaptation simultanée des caractéristiques de bruit et des pertes de retour à l’aide d’un assistant à table de correspondance (LUT - de l’anglais Look-Up-Table) redimensionnable à tableau intelligent intégré. Traitement de signal intégré pour amener la cognition (intelligence artificielle) auprès des circuits RF et des systèmes. Emission et réception sans commutation [31] pour les modules frontaux en utilisant des coupleurs intelligents. Gestion d’énergie à modes physiques multiples comprenant une récupération thermique-EM avec régulation et contrôle sur la puce. La figure 7 décrit des systèmes à modulation intelligente spatiale, fréquentielle et temporelle pour des surfaces ou des volumes contrôlables par une polarisation intelligente adaptative du substrat pour opérer des formations d’ondes qui peuvent être modulées en amplitude, en phase et en énergie. Cette fonctionnalité comprend des applications programmables de formation de faisceau/orientation de faisceau, des méta-matériaux, des méta-surfaces, et des imageurs et des holographes. La synchronisation pour une modulation spatiale, fréquentielle et temporelle précise peut être obtenue par une co-intégration RF et optique appropriée [11]. Un autotest intégré (BIST) couplé sur la puce et hors de la puce est proposé pour une compensation en temps réel de changements stochastiques dans les conditions environnementales (par exemple variations processus-alimentation-température, adaptation, et contraintes mécaniques). La figure 8 illustre une architecture hybride analogique-numérique de formation de faisceau comprenant une boucle de commande de polarisation adaptative du substrat munie de fonctionnalités cognitives basées sur des métriques d’énergie. La régulation à boucle de commande proposée va inclure des ajustements dynamiques des niveaux de puissance en fonction de la température. Solutions de gestion de récupération d’énergie thermique-EM Comme cela est bien connu dans la technique, l’énergie thermique peut être convertie en énergie électrique par des transducteurs thermoélectriques ou pyroélectriques, entre autres. Les premiers reposent sur des variations spatiales de température, tandis que les derniers reposent sur des variations temporelles de température. Le principe général de la solution de gestion d’énergie proposée repose sur une approche de récupération dans laquelle l’énergie thermique générée dans la puce est convertie en une tension continue (DC) qui à son tour est utilisée dans un but d’alimentation (par exemple une batterie). Les avantages attendus comprennent, mais sans être limités à cela, les aspects suivants: Remplacement de systèmes de gestion d’énergie classiques par la solution proposée, conduisant à une réduction significative de l’efficacité globale du système. Les solutions de gestion d’énergie proposées sont adaptées à des applications spécifiques de boîtiers de puces et par conséquent peuvent être envisagées dans une conception réellement conjointe des systèmes de puces et de boîtiers tout au long du processus de conception. Des blocs de commande dédiés pour le système de récupération peuvent être inclus dans la puce pour les domaines d’alimentation en boucle ou directs. Les aspects écologiques résultants peuvent être bénéfiques pour l’environnement par la réduction des pertes d’énergie. Cela donne une base pour une fonctionnalité autonome d’alimentation en énergie du système, et peut être étendu à la construction de réseaux pour une conversion effective d’énergie thermique en énergie électrique. Le processus de conversion d’énergie rend possible d’interfacer des capteurs différents (mécaniques, électriques, acoustiques) dedans pour des applications à domaines multiples par l’intermédiaire d’une gestion d’énergie efficace. Les éléments suivants pris dans l’état de l’art des estimations d’énergie (travail de Bar-Cohen) donnent une idée de la quantité d’énergie qui peut être économisée : 400 millions d’ordinateurs personnels dans le monde supposés consommer 0,16 téra (10 12 ) kWh par an, ce qui est équivalent à 26 centrales électriques nucléaires. Plus de 1 giga kWh par an juste pour le refroidissement y compris la production d’électricité. Le principe général de la solution de récupération d’énergie proposée en référence au système de boîtier de puce (comme dans l’élément 1 de la figure 11) est représenté en figure 11 comprenant les éléments suivants: Un détecteur de température (utilisant éventuellement des électrodes basées sur le principe du thermocouple lorsque la technologie le permet), en référence à l’élément 2 de la figure 9, supposé ici intégré sans la puce sans être limitatif. Un module d’interface pour le système de récupération, élément 3 en figure 11, demandant une conception étroitement conjointe avec la solution de mise en boîtier thermique. Un système de rétroaction pour une rétroaction d’alimentation (voir élément 5) (avec la batterie, élément 4 en figure 11, par exemple). Lorsque la rétroaction alimente directement l’alimentation sur la puce, la batterie peut être mise dans un mode de veille par l’intermédiaire d’un commutateur dans l’élément 6 de la figure 11. Liste des Figures : Polarisation intelligente adaptative du substrat de modules frontaux en mode émission (TX) et en mode réception (RX) : Polarisation intelligente adaptative du substrat de modules frontaux en mode TX et RX avec adaptation stochastique par BIST : Régulation et contrôle intelligent de polarisation adaptative du substrat d’amplificateurs de puissance doubles symétriques avec charge stochastique : Suppression ou réduction de parasites en utilisant une polarisation intelligente adaptative du substrat : Module frontal sans commutateur TX-RX avec adaptation stochastique adaptative et traitement de signal intelligent : Module sans commutateur TX-RX avec adaptation stochastique adaptative : Contrôle intelligent de polarisation adaptative du substrat de lignes à retard et de combinateurs de puissance : Polarisation intelligente adaptative du substrat de cellules d’émission à puissance combinée avec accord d’antenne stochastique et commande de phase : Réseaux à commande de phase et systèmes MIMO à polarisation intelligente adaptative du substrat tenant compte des polarisations verticale et horizontale : Réseaux à commande de phase et systèmes MIMO à polarisation intelligente adaptative du substrat tenant compte des polarisations verticale et horizontale avec récupération d’énergie thermique-EM : Système de polarisation (biasing) adaptatif et intelligent pour opérer une formation d’ondes modulables en amplitude, phase et énergie pour des surfaces ou volumes contrôlables. Applications potentielles RFIC pour ondes RF/mm et module frontaux systèmes hybrides à ondes RF/mm et optiques systèmes IoT avec intelligence artificielle systèmes radio définis par logiciel cognitif système MIMO et à réseau à commande de phase radars intelligents pour applications grand public et militaires applications orientées haute puissance comprenant des modules à puces multiples, des modules du type système dans un boîtier, etc. récepteurs à tuner pour câble fortement intégrés dans lesquels les caractéristiques des spécifications pour satisfaire la spécification d’interface du service de données sur du câble (DOCSIS) sur une grande plage de températures de fonctionnement (- 40° C à 85° C) nécessitent des systèmes à contrôle de gain efficace applications orientées station de base dans lesquelles la cohabitation de normes différentes impose une flexibilité dans le contrôle de blocs à gain adaptatif pour respecter diverses normes sans consommation d’énergie supplémentaire modules multipuces dans lesquels les problèmes thermiques sont critiques pour les performances du système utilisation avec des amplificateurs de puissance pour la gestion thermique Détection Les solutions proposées sont faciles à détecter quand elles sont présentes dans un produit. Références Bich-Yen Nguyen, Philippe Flatresse, Jamie Schaeffer, Franck Arnaud, Souhir Mhira,Vincent Huart, Olivier Weber, Manuel Sellier, and Christophe Maleville, “A Path to Energy Efficiency and Reliability for ICs: Fully Depleted Silicon-on-Insulator (FD-SOI) Devices Offer Many Advantages”, IEEE Solid-State Circuits Magazine (Volume: 10 , Issue: 4 , Fall 2018). S. Mhira, V. Huard, D. Arora, P. Flatresse, and A. Bravaix, “Resilient automotive products through process, temperature and aging compensation schemes,” in Proc. Int. Reliability Physics Symp. (IRPS), 2018, pp. 3D.1-1–3D.1-7. P. Flatresse, “Leveraging body bias for automotive and IoT applications,” presented at the Int. Conf. IC Design and Technology, 2017. Jill C. Mayeda, Jerry Tsay, Donald Y. C. Lie, Jerry Lopez, "Effective AM-PM Cancellation with Body Bias for 5G CMOS Power Amplifier Design in 22nm FD-SOI”, 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 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Systèmes mettant en œuvre une polarisation intelligente adaptative du substrat pour contrôler des performances RF comprenant un accord d’antenne stochastique et une régulation dynamique de modulations de charge dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Utilisation de polarisation intelligente adaptative du substrat pour le contrôle de performances RF conjointement avec une solution d’autotest intégré pour apporter une intelligence et une conscience de l’environnement à des circuits intégrés et des systèmes. Utilisation de polarisation adaptative du substrat pour rendre hybrides des systèmes à ondes RF/mm et des systèmes optiques par l’intermédiaire de modulations dynamiques. Systèmes comprenant la gestion d’énergie de la figure 5, capables de contrôler la charge d'une batterie par l’intermédiaire de l'énergie générée par la dissipation thermique. Systèmes selon la revendication 1, utilisant des systèmes solaires pour améliorer l’efficacité énergétique de circuits utilisés pour contrôler des dispositifs photovoltaïques. Systèmes selon la revendication 1, utilisant des régulateurs d’alimentation de la puce et un stockage d’énergie local pour des applications sans batterie. Système selon la revendication 1, et la revendication 4, pour utilisation avec des solutions basées sur de l’énergie solaire. Système selon la revendication 1, et la revendication 4, pour utilisation avec des solutions basées sur de l’énergie solaire. Système selon la revendication 1, la revendication 2, la revendication 3 et la revendication 4 avec possibilité de supporter un refroidissement multiple alimenté par l’énergie thermique convertie. Système selon la revendication 1, pour utilisation avec une récupération électromécanique (par exemple MEMS, BAW) pour la gestion thermique. Système selon la revendication 1, pour utilisation dans des modules de station de base dans lesquels la gestion de l’alimentation est une limitation sévère. Contrôle numérique et contrôle et régulation avec BIST de capteurs en réseau avec apprentissage automatique et traitement de signal cognitif. Module frontal sans commutateur émission-réception muni d’adaptation de charge stochastique adaptative et de traitement de signal intelligent comprenant des fonctions de bande de base ou RF-ADC/DAC.