可用于低功耗设计的技术方法

有几种技术可用于低功耗设计，但是每当纳瓦或皮焦耳重要时，必须使用所有可用方法。

一些必要的技术不同于高端设计所使用的技术。随着时间的流逝，其他的丢失了，因为它们的影响被认为太小，或者不值得进行额外的设计工作。但是，对于仅使用一根电池即可使用寿命或清除其运行所需功率的设备，就不会有任何困难。

“在过去的三十年中，人们通过降低几何节点来优化和降低了功耗，” 西门子业务部Mentor Calypto集团战略和业务开发高级经理Anoop Saha说。“但是对于由电池驱动的物联网设备，那是人们开始关注微焦耳和皮焦耳能量的时候。然后，极低的功耗变得更加重要。我看到现在存在的东西与市场需求之间的差距。”

有几个级别可以优化功率。Cadence数字与签核部门产品管理总监Dave Pursley 将其等同于Maslow对人类的需求层次。“低功耗设计或实际上任何设计的最基本需求是硅需要可靠地工作。”

在层次结构的此级别上可以而且应该取得进展。Fraunhofer IIS自适应系统工程部设计方法学系主任Roland Jancke说：“该领域最重要的障碍之一是需要全面的低功耗模型。” 这些由设计系统提供，由代工厂进行参数化，并在设计人员的开发流程中使用。该领域的技术似乎比开发工具和标准的发展速度更快。”

Pursley说，在设计流程的较早阶段，您将更加专注于优化需求。“设计和实施团队致力于使设计的功能最小化。多模式多角优化，多位单元推理，多Vt泄漏优化，时钟门控，功率意图等，都集中在使设计功率最小化上。在某些情况下-实际上，在很多情况下-依靠优化和签核将可以满足您的需求。只要保持对功率的关注，您的硅片就能并且将继续生存。”

高时钟频率设计与以较低频率工作的设计之间的一个显着差异是触发器之间可容纳的逻辑量。“您可以拥有深层的数据路径，因为您不必以很高的时钟频率运行这些电路，” Cadence产品管理总监Rob Knoth说。“但是，这增加了发生的故障量。这可以显着增加总功率，尤其是在传输故障中。这是一个故障，不会被门过滤掉，并可能导致实际开关。只要它在时钟沿之前稳定下来，就不会出现功能问题，但是沿之间的电源切换将上升。

当Dennard缩放停止在20年前时，控制能力变得更加重要。尽管新节点确实提供了较低的功率，但这样做却增加了成本。但是功率不会以与大小相同的速率降低，这意味着功率密度可能会增加。Mentor的Saha说：“ 降低功耗并不是降低功耗的唯一方法。” “我已经看到了一些示例，其中针对特定用例设计和优化的专用芯片比7nm实现的通用设计功耗更低，即使优化设计位于更高的节点上。”

大多数开发团队对这类优化感到满意。Arm的杰出工程师James Myers说：“如今，纳瓦和皮焦耳系统已经可以实现，但是需要将许多节电技巧一起部署。” “这包括对所有可能的功率进行门控以抑制泄漏，停止或减慢所有时钟以避免浪费动态功率，使用矢量处理器扩展来减少周期数，然后尽可能降低电压。”

在马斯洛的层次结构中继续延伸的是一个完全不同的世界。Pursley补充说：“在设计超低功耗时，要考虑纳瓦和皮焦耳的问题，这不足以创造出最低功耗的设计方案。” “您需要在最低功耗的设计中创建最低功耗的实现。”

这三个级别都很重要。“要降低功耗，整个行业将需要改进的SoC设计技术，设计优化和定制功能以及工艺技术的扩展，” Atmosic首席执行官David Su说。这些技术将共同导致一种极低功耗的无线解决方案。低功耗无线电技术旨在使连接的设备以最小的功率运行，从而最大限度地延长电池寿命。通过降低功耗并延长电池寿命，我们将看到物联网解决方案，其中电池将持续产品本身的使用寿命。”

而且很重要的一点是，所有级别都不能忽略。“电容，电压和频率–这些都是设计师控制的事情，” Ansys PowerArtist产品管理负责人Preeti Gupta说。“在这里，我们看到许多人正在思考如何处理电源电压–是缩小电源电压，使用多个电压域还是使用电源门控。我们听说了动态频率缩放。时钟门控是关于关闭冗余活动的。直到最后阶段，才通过算法考虑在早期阶段应用许多技术，在这些阶段中，您将进行多Vt优化或引脚交换或路径平衡以降低功耗。”

体系结构的重要性

大多数IoT边缘设备基本上都非常相似。“该芯片基本上具有传感，处理和通信功能，” Arteris IP营销副总裁Kurt Shuler说。“通常只有一个传感器，或者连接有多个传感器。这些事情正在定期轮询或通信。他们通常有一部分芯片被称为“始终在线”，即使它并不总是在线。它正在进行通信并检查传感器是否有任何东西。与手机，某些AI芯片或ADAS芯片相比，这些芯片并不庞大。这些芯片确实很小，但是其中的电源管理确实很复杂。”

还有其他应用程序看起来可能完全不同。“必须进行针对特定领域的架构创新，” Saha说。“关于电源的去向已经有很多研究。例如，在计算中，大量功耗与片外DRAM访问相关。那么如何优化呢？您可以通过更改软件来减少DRAM访问次数，或者通过更改硬件来减少计算访问量，以减少内存访问量。”

对于其他应用程序，拥有专用于特定任务的小型系统效果很好。Atmosic的Su表示：“按需唤醒技术使端点设备能够侦听传入的“唤醒”信号，同时保持极低的功耗状态。“这不仅将系统功耗降低了一个数量级，而且通过将信标保持在待机模式来减少空中信号的冲突。”

在此级别上正确处理事情需要进行分析。“您如何找到最佳的低功耗架构？” Pursley问。“解决方案空间很大。算法可以改变；体系结构可以改变；硬件-软件边界可能会改变。在过去的几年中，这种权衡分析充其量是基于一些封底计算和大量的“我知道我上次做得如何”的结论。”

有许多问题需要回答。“正确的软硬件边界在哪里？” 萨哈问。“如何确定硬件和软件的协同设计是其中的关键部分。哪一部分应该进入硬件，哪些部分应该进入软件？什么是正确的存储结构，什么是正确的量化以及不同的微体系结构特征的正确方面是什么？如果您不使用高级综合（HLS），那么很多决定是在您开始编写Verilog之前做出的码。对于低功耗设备而言，这是一个问题，因为您不知道针对您的应用程序或设计的最佳架构是什么，您需要灵活性。您需要能够非常快速地进行更改并快速进行评估。”

Pursley补充说：“对于数字设计师和建筑师，高级综合（HLS）使他们能够定量评估这些架构决策，并快速创建和评估RTL，以进行广泛的架构折衷。” “ HLS与逻辑综合和功耗估算的集成为设计人员和架构师提供了快速，早期和准确的功耗，性能和面积分析。”

存在于硬件和软件边界的另一种最新的功率优化策略是利用可扩展的处理器体系结构。Saha说：“我见过人们在使用高级综合在处理器中创建自定义指令。” “这可能是处理器中的一条指令，如果这是应用程序中的一个小重复性任务，或者作为加速器，您可以将其排除在处理器之外，这可能是有道理的。这些是架构决策。对于某些应用程序，自定义指令将是最佳选择，但是在加速器中运行服务器的许多应用程序将是最佳选择。”

有时，放置电源控制也很重要。“时钟门控，电源门控或其他电源优化状态有各种组合和排列，” Arteris的Shuler说。“可能会有20多个不同的。他们打开和关闭不同的东西，并根据他们正在做的事情以较低或较高的频率为时钟计时。必须处理功耗模式的状态机非常复杂。片上网络（NoC）是所有这些模块和子系统之间的高速公路和旁路。这就是他们控制电源并快速恢复工作的地方。他们不仅必须经历所有州，而且还必须非常迅速地经历们。通过NoC中的电源管理，它实际上非常先进。”

降低电压

功耗对电压具有二次依赖关系。“但是降低电压是部署最困难的节能技巧，”阿姆斯·迈尔斯（Arm's Myers）说。“它可以在接近和低于阈值的电压下返回4至10倍的增益。最终限制我们在这里的是DC-DC转换效率和非易失性存储器访问能量，尽管最近两者都在有所改善。但是，改进的铸造厂和EDA支持可以减轻额外的设计成本。特别是，低压下的可变性要求采用自适应技术，这可能很难签发，并且设备泄漏并非总是能精确表征皮安级精度。”

图1：最小能量点通常略高于阈值电压。资料来源：Arm

极低电压工作的问题之一是可变性可能会产生重大影响。Moortec营销副总裁Ramsay Allen表示：“高精度PVT监视子系统的加入满足了半导体设计界对提高设备可靠性和增强性能优化的需求。“这将启用诸如AVS和电源管理控制系统之类的方案。”

在所有电压和频率边界上创建了域交叉。舒勒说：“无论您在改变时钟或创建电源域的任何地方，这都是跨域的。” “有了电源，您需要电平转换器，而通过时钟，您需要的是异步连接。如今，我们拥有专用工具来设计和验证此类交叉路口，在许多情况下，这种困难可以有效地隐藏在互连中。发生的事情是，当他们选择一个过程时，该库中的电平转换器将进入这些数字容器，并且它们都已经过预先验证。”

向量的重要性

尽管如此，仍有很多机会可以针对错误的事物进行优化。萨哈说：“您不仅必须考虑如何测量功率，还必须考虑测量的内容。” “这取决于体系结构和刺激因素以及系统的行为方式。如何设计系统很重要。如何测量和弄清楚测量的内容很重要。第三部分是如何优化自己的资产？”

不考虑用例是一个常见的错误。Pursley说：“许多人没有想到用于功率估计和优化的刺激。” “由于被最大的局部因素分散注意力，这很容易错过电源问题，这可能是永远都看不到的。在探索和早期设计阶段，您可能希望最大程度地降低整体功耗。您为此使用的刺激不太可能在放置和布线后出现最坏情况的电源问题，就像在典型使用模型下将功耗降至最低时，旨在暴露极端情况的刺激不太可能非常有用。”

结论

有很多因素会影响设备的总功耗或能量消耗，但是当寻求创建极低功耗的设备时，就不会遗漏任何东西。有人说，当传统的解决方案变得越来越复杂或困难时，可能是一个困难的解决方案开始看起来是最佳选择。这肯定是在电源领域发生的，其中近阈值设计等技术引起了越来越多的关注。

审核编辑：汤梓红