現(xiàn)在很難在某一次會(huì)議上聽不到或者看不到關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和可穿戴式計(jì)算的討論。但是，請讀下去。當(dāng)人們還在爭論IoT設(shè)備5年內(nèi)是會(huì)達(dá)到200億規(guī)模還是40億規(guī)模的時(shí)候，一個(gè)意外的挑戰(zhàn)已經(jīng)浮出水面。人們都認(rèn)為市場上最新的半導(dǎo)體技術(shù)也是您下一設(shè)計(jì)最好的工藝技術(shù)。這種想法促進(jìn)了IoT的雪崩式發(fā)展。

最近在硅谷舉行的TSMC輔助支持系統(tǒng)論壇上清楚的闡述了這種發(fā)展。隨著20、16和10 nm工藝的發(fā)展，最大的代工線負(fù)責(zé)人宣稱，在老工藝尺寸基礎(chǔ)上，不到5個(gè)低功耗新工藝代就回到了180 nm。為什么——為什么這么多?在小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這些問題構(gòu)成了新現(xiàn)實(shí)。

對電源的其他分析

并不是IoT發(fā)起了低功耗工作模式。多年以來，超低功耗微控制器領(lǐng)域就有此類產(chǎn)品。但是，大肆的宣傳使得業(yè)界特別關(guān)注低功耗問題的兩個(gè)方面：在很多IoT和可穿戴節(jié)點(diǎn)上以極低功耗可靠的工作，還有非常低的占空比。

極低功耗需求的來源不同尋常：能量收集。一些IoT設(shè)計(jì)人員并沒有費(fèi)勁的將電池裝到極小的封裝中或者難以企及的空間里，而是選擇從節(jié)點(diǎn)環(huán)境中收集能量。他們使用了小型光電池，從周圍光中收集能量，采用熱電變換器轉(zhuǎn)換浪費(fèi)的熱量，使用慣性發(fā)電機(jī)把運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電流，還有一些其他手段。一般的結(jié)果是可靠的少量電源——至少結(jié)合了小的可充電電池和超級(jí)電容。

如果您能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)耗電保持在一定的功率預(yù)算范圍內(nèi)，從很實(shí)用的熱電轉(zhuǎn)換器的幾百μW到光線暗淡的室內(nèi)微小光電池的幾個(gè)μW，那么這種策略避免了換電池等問題。

作為對比，較低的占空比并不是約束而是機(jī)遇。一般而言，距離數(shù)據(jù)中心越遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)的大部分空閑的時(shí)間就越長。數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)應(yīng)該是不低于80%的利用率。但是在今年的熱點(diǎn)芯片大會(huì)上，ARM? CTO Mike Muller估計(jì)CPU瀏覽網(wǎng)頁的平均工作時(shí)間是7%，MP3回放任務(wù)大約是3%。距離核心越遠(yuǎn)，IoT節(jié)點(diǎn)對空氣溫度進(jìn)行周期性采樣時(shí)，可能每小時(shí)只有幾個(gè)毫秒在工作，占總時(shí)間的百萬分之一。

很明顯，低占空比應(yīng)該是降低能耗的好機(jī)會(huì)。問題是怎么辦。要解決這一問題，我們得回到工藝技術(shù)和超低功耗問題上。

研究占空比

在低占空比系統(tǒng)中，降低能耗(從而延長電池使用壽命)最高效的策略與您的老奶奶處理電費(fèi)的策略一樣：不使用時(shí)關(guān)掉它。但是這種好建議的背后卻涉及到詳細(xì)的規(guī)劃和某些困難的決定。

關(guān)掉電源意味著將狀態(tài)存儲(chǔ)到非易失存儲(chǔ)器中，除非您設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)不需要持續(xù)的狀態(tài)信息就能夠工作。但是保存狀態(tài)需要花費(fèi)時(shí)間和能耗，寫入閃存會(huì)需要很大的突發(fā)能耗，這也要有大功率能源。因此，這并不總是可行的——特別是空閑時(shí)間很短或者不可預(yù)測的情形。在這些情形中，您可能需要保持?jǐn)?shù)據(jù)的低功耗模式，包括在狀態(tài)機(jī)中和在存儲(chǔ)器中。這也是老節(jié)點(diǎn)及其大規(guī)模晶體管再次被關(guān)注的原因。

這些大規(guī)模晶體管內(nèi)在的一個(gè)特性是低泄漏電流。如果您的服務(wù)器一直以fMAX運(yùn)行，那么低泄漏并不是很重要，這是因?yàn)楦咚俸偷蛣?dòng)態(tài)功耗并不是老工藝關(guān)注的重點(diǎn)。但是，如果您設(shè)計(jì)低占空比系統(tǒng)，大部分時(shí)間處于數(shù)據(jù)保持模式，您不得不延長小電池的使用時(shí)間，與動(dòng)態(tài)功耗或者最初的性能相比，您更關(guān)心靜態(tài)泄漏。

這一事實(shí)解釋了為什么有太多的工藝選擇。在180 nm，泄漏幾乎沒有，但是動(dòng)態(tài)功耗相對較高，而fMAX較低。在28 nm，泄漏比較起來非常高——即使是TSMC針對28 ULP設(shè)計(jì)的改進(jìn)型低泄漏晶體管，但是動(dòng)態(tài)功耗和速度要好很多。您可以看一下您規(guī)劃的占空比，選擇您的工藝技術(shù)。

當(dāng)然，并不會(huì)非常簡單。在體系結(jié)構(gòu)和實(shí)施的每一階段，都會(huì)有一些因素影響占空比。例如，您可以禁止中斷狀態(tài)機(jī)或者ARM Cortex?-M0等極低功耗MCU，只中斷主CPU，以處理觸發(fā)了重要代碼的關(guān)鍵事件。您可以選擇無線網(wǎng)絡(luò)，支持節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，而不讓它一直處于準(zhǔn)備響應(yīng)某一消息的狀態(tài)。您可以使用硬件加速器來縮短占空比的工作部分。還可以把上游任務(wù)放到無線集線器或者云端。

相反，您也可以重新調(diào)整占空比。例如，可以放慢時(shí)鐘以節(jié)省功耗，讓任務(wù)非常慢的運(yùn)行，從而不會(huì)進(jìn)入休眠模式?；蛘?，可以選擇輪詢節(jié)點(diǎn)，就像帶著安眠藥的夜班護(hù)士，讓節(jié)點(diǎn)一直保持工作。

總之，要找到動(dòng)態(tài)功耗、運(yùn)行和空閑以及關(guān)斷時(shí)間、工藝技術(shù)的最佳組合會(huì)是一件很難的事情。對于ARM的big.LITTLE多核CPU配置等方法，支持您在功能強(qiáng)大的內(nèi)核中迅速運(yùn)行較難的線程，然后對于后臺(tái)任務(wù)，切換到較慢的低功耗內(nèi)核。在某些點(diǎn)，您會(huì)有很多選擇。

不論占空比還是處理器怎樣安排，有一種策略具有明顯的優(yōu)勢。對于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，電壓是公式中的二次項(xiàng)。如果您降低Vdd，fMAX就會(huì)下降，功耗也是如此。這一點(diǎn)解釋了TSMC超低功耗產(chǎn)品的重要特性：其特性是能夠工作在非常低的電壓下，實(shí)際上，接近閾值。

近閾值挑戰(zhàn)

據(jù)TSMC研發(fā)副總裁Cliff Hou，在0.7-0.5V范圍內(nèi)Vdd的準(zhǔn)備過程需要很多工作。公司關(guān)注的是從高閾值晶體管中獲得最佳性能。但是也要處理其他兩個(gè)主要問題；時(shí)序變化和SRAM拓?fù)洹?br />
接近閾值工作的MOSFET驅(qū)動(dòng)負(fù)載的時(shí)間要長一些。這一簡單的物理現(xiàn)象將大部分處理器的時(shí)鐘頻率限制在1 MHz附近。但是，Hou指出還有另一個(gè)問題。他解釋說，“接近閾值時(shí)，波形是非線性的。對此，需要調(diào)整靜態(tài)時(shí)序分析，這樣，芯片設(shè)計(jì)人員不用改變他們的方法。”

Hou說，對時(shí)序進(jìn)行了很大的改動(dòng)后，自然需要檢查所有IP在接近閾值電平時(shí)能否正常工作。他報(bào)告說，“一般而言，檢查進(jìn)行的比較順利。但是，我們注意到，某些單元——那些有三至四級(jí)的，使用了傳輸邏輯門的，在接近0.5V時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題?！?br />
SRAM有不同的問題：不同的電壓電平需要不同的單元設(shè)計(jì)。一般具有讀寫輔助功能的SRAM單元在較高電壓時(shí)能夠很好的工作。但是接近0.5V時(shí)，則需要8或者10晶體管單元。低于0.5V時(shí)，Hou建議基于邏輯的存儲(chǔ)器單元。

走向極端

如果您決定降低Vdd，那么不用停在晶體管的閾值電壓上。在亞閾值領(lǐng)域有很多邏輯設(shè)計(jì)，甚至是模擬設(shè)計(jì)。實(shí)際上，晶體管一直關(guān)斷，您的電路通過調(diào)制泄漏電流來工作。自然的，這些邏輯能效非常高，但是非常慢。在TSMC論壇上，ARM的Muller認(rèn)為這并不簡單，在IoT環(huán)境中，重要的是在亞閾值工作。

Muller介紹了TSMC在未指定40 nm工藝上開發(fā)的測試芯片ARM，針對低電壓進(jìn)行了優(yōu)化。芯片含有Cortex-A5和Cortex-M0內(nèi)核，以及很多獨(dú)立電源域，支持工程師針對各種近閾值和亞閾值策略進(jìn)行試驗(yàn)，可以對各種處理器的各個(gè)部分進(jìn)行不同的組合。

CTO對設(shè)計(jì)這類芯片提出了警告。他提醒說，您需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換器，它承載了電源域和功率邏輯門開關(guān)之間的信號(hào)。這些器件必須在很寬的電壓范圍內(nèi)高效的工作，電壓范圍非常寬以至于超出了邏輯晶體管的閾值范圍。

在體系結(jié)構(gòu)級(jí)，Muller指出關(guān)斷內(nèi)核與使其停留在數(shù)據(jù)保持模式有很大的不同。他說，80%的靜態(tài)功耗來自SRAM。因此，減少工作周期之間必須要保持的有效狀態(tài)非常重要。保持狀態(tài)要消耗能量。

Muller說，使用傳統(tǒng)的時(shí)序收斂方法也很難來管理時(shí)序。目前的時(shí)序工具假設(shè)延時(shí)主要來自RC。而這里時(shí)序的主要因素是電壓柵極延時(shí)。Muller遺憾的指出，當(dāng)您嘗試實(shí)現(xiàn)時(shí)序收斂時(shí)，工具會(huì)把您帶到錯(cuò)誤的方向上。

有了體系結(jié)構(gòu)后，下一個(gè)問題是工作點(diǎn)。Muller針對這一主題提供了信息非常豐富的一幅圖。Muller解釋說，把Vdd降到閾值以下后，功耗——?jiǎng)討B(tài)功耗和靜態(tài)功耗，都下降了。在200 mV有最小功耗點(diǎn)，在此之下，電路會(huì)停止工作。如果您的電源受到高能耗器件的限制，那么這是最佳工作點(diǎn)。

但是隨著功耗的下降，速度也在變慢。任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間越長，執(zhí)行期間的靜態(tài)功耗就越大。因此，您降低電壓后，每一任務(wù)的總能耗并不會(huì)一直降低——實(shí)際上，有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，電壓低于這一點(diǎn)之后，每一任務(wù)的總能耗開始上升。在Muller的數(shù)據(jù)中，每一任務(wù)能耗達(dá)到最小的轉(zhuǎn)換點(diǎn)是在400 mV。

Muller注意到，設(shè)計(jì)人員看到的曲線有很好的選擇范圍。如果功耗最重要，CPU可以工作在1 kHz，200 mV，功耗大約只有1 μW。如果目標(biāo)是固定任務(wù)實(shí)現(xiàn)最低能耗，這一試驗(yàn)的最優(yōu)點(diǎn)是在400 mV，100 kHz工作，功耗大約是100 μW。Muller總結(jié)說，“在600 mV近閾值區(qū)域，您不必要求功耗降低一半，設(shè)計(jì)會(huì)很容易進(jìn)行。”

然而，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)并選擇相應(yīng)的電壓還不夠。在亞閾值區(qū)域，工藝變化和老化效應(yīng)導(dǎo)致的閾值電壓變化會(huì)非常嚴(yán)重。Muller介紹了亞閾值電路對于Vth非常敏感，在低占空比的低功耗電路中，偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）導(dǎo)致的微小漂移也會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)造成電路失效。因此，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮其電路對各種變化的承受能力。

IoT節(jié)點(diǎn)對高能效的需求讓我們費(fèi)盡周折，從研究低占空比到深入研究亞閾值晶體管行為?，F(xiàn)在，在成熟市場上，這些已經(jīng)是常用的設(shè)計(jì)方法，其他的則留給博士們?nèi)パ芯?。無生產(chǎn)線企業(yè)競相進(jìn)入可能空有承諾的IoT，所有這些選擇具有連續(xù)性——完全不同的尺寸，以及多種工藝，設(shè)計(jì)人員可以從中選擇他們的工作點(diǎn)。芯片設(shè)計(jì)人員的自由之處是能夠向系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出自己的要求，他們所面臨的芯片規(guī)范與之前的大不相同，好在系統(tǒng)級(jí)還有機(jī)會(huì)。從長遠(yuǎn)看，近閾值和亞閾值方法仍然是IoT的主要方法。也是設(shè)計(jì)主流。