有幾種技術(shù)可用于低功耗設(shè)計(jì)，但是每當(dāng)納瓦或皮焦耳重要時(shí)，必須使用所有可用方法。

一些必要的技術(shù)不同于高端設(shè)計(jì)所使用的技術(shù)。隨著時(shí)間的流逝，其他的丟失了，因?yàn)樗鼈兊挠绊懕徽J(rèn)為太小，或者不值得進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)工作。但是，對(duì)于僅使用一根電池即可使用壽命或清除其運(yùn)行所需功率的設(shè)備，就不會(huì)有任何困難。

“在過(guò)去的三十年中，人們通過(guò)降低幾何節(jié)點(diǎn)來(lái)優(yōu)化和降低了功耗，” 西門子業(yè)務(wù)部Mentor Calypto集團(tuán)戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)高級(jí)經(jīng)理Anoop Saha說(shuō)。“但是對(duì)于由電池驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，那是人們開(kāi)始關(guān)注微焦耳和皮焦耳能量的時(shí)候。然后，極低的功耗變得更加重要。我看到現(xiàn)在存在的東西與市場(chǎng)需求之間的差距。”

有幾個(gè)級(jí)別可以優(yōu)化功率。Cadence數(shù)字與簽核部門產(chǎn)品管理總監(jiān)Dave Pursley 將其等同于Maslow對(duì)人類的需求層次。“低功耗設(shè)計(jì)或?qū)嶋H上任何設(shè)計(jì)的最基本需求是硅需要可靠地工作。”

在層次結(jié)構(gòu)的此級(jí)別上可以而且應(yīng)該取得進(jìn)展。Fraunhofer IIS自適應(yīng)系統(tǒng)工程部設(shè)計(jì)方法學(xué)系主任Roland Jancke說(shuō)：“該領(lǐng)域最重要的障礙之一是需要全面的低功耗模型。” 這些由設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供，由代工廠進(jìn)行參數(shù)化，并在設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)流程中使用。該領(lǐng)域的技術(shù)似乎比開(kāi)發(fā)工具和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展速度更快。”

Pursley說(shuō)，在設(shè)計(jì)流程的較早階段，您將更加專注于優(yōu)化需求。“設(shè)計(jì)和實(shí)施團(tuán)隊(duì)致力于使設(shè)計(jì)的功能最小化。多模式多角優(yōu)化，多位單元推理，多Vt泄漏優(yōu)化，時(shí)鐘門控，功率意圖等，都集中在使設(shè)計(jì)功率最小化上。在某些情況下-實(shí)際上，在很多情況下-依靠?jī)?yōu)化和簽核將可以滿足您的需求。只要保持對(duì)功率的關(guān)注，您的硅片就能并且將繼續(xù)生存。”

高時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)與以較低頻率工作的設(shè)計(jì)之間的一個(gè)顯著差異是觸發(fā)器之間可容納的邏輯量。“您可以擁有深層的數(shù)據(jù)路徑，因?yàn)槟槐匾院芨叩臅r(shí)鐘頻率運(yùn)行這些電路，” Cadence產(chǎn)品管理總監(jiān)Rob Knoth說(shuō)。“但是，這增加了發(fā)生的故障量。這可以顯著增加總功率，尤其是在傳輸故障中。這是一個(gè)故障，不會(huì)被門過(guò)濾掉，并可能導(dǎo)致實(shí)際開(kāi)關(guān)。只要它在時(shí)鐘沿之前穩(wěn)定下來(lái)，就不會(huì)出現(xiàn)功能問(wèn)題，但是沿之間的電源切換將上升。

當(dāng)Dennard縮放停止在20年前時(shí)，控制能力變得更加重要。盡管新節(jié)點(diǎn)確實(shí)提供了較低的功率，但這樣做卻增加了成本。但是功率不會(huì)以與大小相同的速率降低，這意味著功率密度可能會(huì)增加。Mentor的Saha說(shuō)：“ 降低功耗并不是降低功耗的唯一方法。” “我已經(jīng)看到了一些示例，其中針對(duì)特定用例設(shè)計(jì)和優(yōu)化的專用芯片比7nm實(shí)現(xiàn)的通用設(shè)計(jì)功耗更低，即使優(yōu)化設(shè)計(jì)位于更高的節(jié)點(diǎn)上。”

大多數(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)這類優(yōu)化感到滿意。Arm的杰出工程師James Myers說(shuō)：“如今，納瓦和皮焦耳系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但是需要將許多節(jié)電技巧一起部署。” “這包括對(duì)所有可能的功率進(jìn)行門控以抑制泄漏，停止或減慢所有時(shí)鐘以避免浪費(fèi)動(dòng)態(tài)功率，使用矢量處理器擴(kuò)展來(lái)減少周期數(shù)，然后盡可能降低電壓。”

在馬斯洛的層次結(jié)構(gòu)中繼續(xù)延伸的是一個(gè)完全不同的世界。Pursley補(bǔ)充說(shuō)：“在設(shè)計(jì)超低功耗時(shí)，要考慮納瓦和皮焦耳的問(wèn)題，這不足以創(chuàng)造出最低功耗的設(shè)計(jì)方案。” “您需要在最低功耗的設(shè)計(jì)中創(chuàng)建最低功耗的實(shí)現(xiàn)。”

這三個(gè)級(jí)別都很重要。“要降低功耗，整個(gè)行業(yè)將需要改進(jìn)的SoC設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)優(yōu)化和定制功能以及工藝技術(shù)的擴(kuò)展，” Atmosic首席執(zhí)行官David Su說(shuō)。這些技術(shù)將共同導(dǎo)致一種極低功耗的無(wú)線解決方案。低功耗無(wú)線電技術(shù)旨在使連接的設(shè)備以最小的功率運(yùn)行，從而最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。通過(guò)降低功耗并延長(zhǎng)電池壽命，我們將看到物聯(lián)網(wǎng)解決方案，其中電池將持續(xù)產(chǎn)品本身的使用壽命。”

而且很重要的一點(diǎn)是，所有級(jí)別都不能忽略。“電容，電壓和頻率–這些都是設(shè)計(jì)師控制的事情，” Ansys PowerArtist產(chǎn)品管理負(fù)責(zé)人Preeti Gupta說(shuō)。“在這里，我們看到許多人正在思考如何處理電源電壓–是縮小電源電壓，使用多個(gè)電壓域還是使用電源門控。我們聽(tīng)說(shuō)了動(dòng)態(tài)頻率縮放。時(shí)鐘門控是關(guān)于關(guān)閉冗余活動(dòng)的。直到最后階段，才通過(guò)算法考慮在早期階段應(yīng)用許多技術(shù)，在這些階段中，您將進(jìn)行多Vt優(yōu)化或引腳交換或路徑平衡以降低功耗。”

體系結(jié)構(gòu)的重要性

大多數(shù)IoT邊緣設(shè)備基本上都非常相似。“該芯片基本上具有傳感，處理和通信功能，” Arteris IP營(yíng)銷副總裁Kurt Shuler說(shuō)。“通常只有一個(gè)傳感器，或者連接有多個(gè)傳感器。這些事情正在定期輪詢或通信。他們通常有一部分芯片被稱為“始終在線”，即使它并不總是在線。它正在進(jìn)行通信并檢查傳感器是否有任何東西。與手機(jī)，某些AI芯片或ADAS芯片相比，這些芯片并不龐大。這些芯片確實(shí)很小，但是其中的電源管理確實(shí)很復(fù)雜。”

還有其他應(yīng)用程序看起來(lái)可能完全不同。“必須進(jìn)行針對(duì)特定領(lǐng)域的架構(gòu)創(chuàng)新，” Saha說(shuō)。“關(guān)于電源的去向已經(jīng)有很多研究。例如，在計(jì)算中，大量功耗與片外DRAM訪問(wèn)相關(guān)。那么如何優(yōu)化呢？您可以通過(guò)更改軟件來(lái)減少DRAM訪問(wèn)次數(shù)，或者通過(guò)更改硬件來(lái)減少計(jì)算訪問(wèn)量，以減少內(nèi)存訪問(wèn)量。”

對(duì)于其他應(yīng)用程序，擁有專用于特定任務(wù)的小型系統(tǒng)效果很好。Atmosic的Su表示：“按需喚醒技術(shù)使端點(diǎn)設(shè)備能夠偵聽(tīng)傳入的“喚醒”信號(hào)，同時(shí)保持極低的功耗狀態(tài)。“這不僅將系統(tǒng)功耗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且通過(guò)將信標(biāo)保持在待機(jī)模式來(lái)減少空中信號(hào)的沖突。”

在此級(jí)別上正確處理事情需要進(jìn)行分析。“您如何找到最佳的低功耗架構(gòu)？” Pursley問(wèn)。“解決方案空間很大。算法可以改變；體系結(jié)構(gòu)可以改變；硬件-軟件邊界可能會(huì)改變。在過(guò)去的幾年中，這種權(quán)衡分析充其量是基于一些封底計(jì)算和大量的“我知道我上次做得如何”的結(jié)論。”

有許多問(wèn)題需要回答。“正確的軟硬件邊界在哪里？” 薩哈問(wèn)。“如何確定硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵部分。哪一部分應(yīng)該進(jìn)入硬件，哪些部分應(yīng)該進(jìn)入軟件？什么是正確的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，什么是正確的量化以及不同的微體系結(jié)構(gòu)特征的正確方面是什么？如果您不使用高級(jí)綜合（HLS），那么很多決定是在您開(kāi)始編寫Verilog之前做出的碼。對(duì)于低功耗設(shè)備而言，這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槟恢泪槍?duì)您的應(yīng)用程序或設(shè)計(jì)的最佳架構(gòu)是什么，您需要靈活性。您需要能夠非常快速地進(jìn)行更改并快速進(jìn)行評(píng)估。”

Pursley補(bǔ)充說(shuō)：“對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)師和建筑師，高級(jí)綜合（HLS）使他們能夠定量評(píng)估這些架構(gòu)決策，并快速創(chuàng)建和評(píng)估RTL，以進(jìn)行廣泛的架構(gòu)折衷。” “ HLS與邏輯綜合和功耗估算的集成為設(shè)計(jì)人員和架構(gòu)師提供了快速，早期和準(zhǔn)確的功耗，性能和面積分析。”

存在于硬件和軟件邊界的另一種最新的功率優(yōu)化策略是利用可擴(kuò)展的處理器體系結(jié)構(gòu)。Saha說(shuō)：“我見(jiàn)過(guò)人們?cè)谑褂酶呒?jí)綜合在處理器中創(chuàng)建自定義指令。” “這可能是處理器中的一條指令，如果這是應(yīng)用程序中的一個(gè)小重復(fù)性任務(wù)，或者作為加速器，您可以將其排除在處理器之外，這可能是有道理的。這些是架構(gòu)決策。對(duì)于某些應(yīng)用程序，自定義指令將是最佳選擇，但是在加速器中運(yùn)行服務(wù)器的許多應(yīng)用程序?qū)⑹亲罴堰x擇。”

有時(shí)，放置電源控制也很重要。“時(shí)鐘門控，電源門控或其他電源優(yōu)化狀態(tài)有各種組合和排列，” Arteris的Shuler說(shuō)。“可能會(huì)有20多個(gè)不同的。他們打開(kāi)和關(guān)閉不同的東西，并根據(jù)他們正在做的事情以較低或較高的頻率為時(shí)鐘計(jì)時(shí)。必須處理功耗模式的狀態(tài)機(jī)非常復(fù)雜。片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）是所有這些模塊和子系統(tǒng)之間的高速公路和旁路。這就是他們控制電源并快速恢復(fù)工作的地方。他們不僅必須經(jīng)歷所有州，而且還必須非常迅速地經(jīng)歷們。通過(guò)NoC中的電源管理，它實(shí)際上非常先進(jìn)。”

降低電壓

功耗對(duì)電壓具有二次依賴關(guān)系。“但是降低電壓是部署最困難的節(jié)能技巧，”阿姆斯·邁爾斯（Arm's Myers）說(shuō)。“它可以在接近和低于閾值的電壓下返回4至10倍的增益。最終限制我們?cè)谶@里的是DC-DC轉(zhuǎn)換效率和非易失性存儲(chǔ)器訪問(wèn)能量，盡管最近兩者都在有所改善。但是，改進(jìn)的鑄造廠和EDA支持可以減輕額外的設(shè)計(jì)成本。特別是，低壓下的可變性要求采用自適應(yīng)技術(shù)，這可能很難簽發(fā)，并且設(shè)備泄漏并非總是能精確表征皮安級(jí)精度。”

圖1：最小能量點(diǎn)通常略高于閾值電壓。資料來(lái)源：Arm

極低電壓工作的問(wèn)題之一是可變性可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。Moortec營(yíng)銷副總裁Ramsay Allen表示：“高精度PVT監(jiān)視子系統(tǒng)的加入滿足了半導(dǎo)體設(shè)計(jì)界對(duì)提高設(shè)備可靠性和增強(qiáng)性能優(yōu)化的需求。“這將啟用諸如AVS和電源管理控制系統(tǒng)之類的方案。”

在所有電壓和頻率邊界上創(chuàng)建了域交叉。舒勒說(shuō)：“無(wú)論您在改變時(shí)鐘或創(chuàng)建電源域的任何地方，這都是跨域的。” “有了電源，您需要電平轉(zhuǎn)換器，而通過(guò)時(shí)鐘，您需要的是異步連接。如今，我們擁有專用工具來(lái)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證此類交叉路口，在許多情況下，這種困難可以有效地隱藏在互連中。發(fā)生的事情是，當(dāng)他們選擇一個(gè)過(guò)程時(shí)，該庫(kù)中的電平轉(zhuǎn)換器將進(jìn)入這些數(shù)字容器，并且它們都已經(jīng)過(guò)預(yù)先驗(yàn)證。”

向量的重要性

盡管如此，仍有很多機(jī)會(huì)可以針對(duì)錯(cuò)誤的事物進(jìn)行優(yōu)化。薩哈說(shuō)：“您不僅必須考慮如何測(cè)量功率，還必須考慮測(cè)量的內(nèi)容。” “這取決于體系結(jié)構(gòu)和刺激因素以及系統(tǒng)的行為方式。如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)很重要。如何測(cè)量和弄清楚測(cè)量的內(nèi)容很重要。第三部分是如何優(yōu)化自己的資產(chǎn)？”

不考慮用例是一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。Pursley說(shuō)：“許多人沒(méi)有想到用于功率估計(jì)和優(yōu)化的刺激。” “由于被最大的局部因素分散注意力，這很容易錯(cuò)過(guò)電源問(wèn)題，這可能是永遠(yuǎn)都看不到的。在探索和早期設(shè)計(jì)階段，您可能希望最大程度地降低整體功耗。您為此使用的刺激不太可能在放置和布線后出現(xiàn)最壞情況的電源問(wèn)題，就像在典型使用模型下將功耗降至最低時(shí)，旨在暴露極端情況的刺激不太可能非常有用。”

結(jié)論

有很多因素會(huì)影響設(shè)備的總功耗或能量消耗，但是當(dāng)尋求創(chuàng)建極低功耗的設(shè)備時(shí)，就不會(huì)遺漏任何東西。有人說(shuō)，當(dāng)傳統(tǒng)的解決方案變得越來(lái)越復(fù)雜或困難時(shí)，可能是一個(gè)困難的解決方案開(kāi)始看起來(lái)是最佳選擇。這肯定是在電源領(lǐng)域發(fā)生的，其中近閾值設(shè)計(jì)等技術(shù)引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

審核編輯：湯梓紅