加速物联网设计:智能万物时代的低功耗设计

我们大多数人已经习惯了每天(如果不是每小时)与无处不在的技术生态系统互动。从健身追踪器、智能吸尘器、半自动驾驶汽车到每天早上叫我们起床的智能家居设备，不可否认，智能家居已经成为了人们生活的一部分物联网(物联网)热潮已经扩散到我们生活的方方面面。这种即时、触手可及的连接的核心是强大的云计算和机器学习技术，这些技术依靠物联网通过有线和无线渠道在互联网或数据中心传输大量信息的能力而蓬勃发展。

许多这些具有上下文感知和响应能力的物联网设备已经存在了很长一段时间，但近年来，相互通信和连接到云的实践释放了新的潜力。根据IDC的数据，2019年连接设备数量为226亿台，预计到2025年将增长到750亿台——考虑到届时预计将消耗180zb的数据，这是一个可预见的轨迹。

随着消费者期望物联网设备越来越紧凑和即时响应，系统级芯片(SoC)设计工程师经常需要在连接性、安全性、个性化和传感器处理等功能之间做出艰难的选择，以获得可接受的电池寿命。

全面的IP解决方案和持续的创新周期，以开发能够处理高效数据处理的芯片，在超小型尺寸下茁壮成长，并支持多种无线连接标准，对于团队将低功耗见解纳入其设计至关重要。如今，设计团队正在探索过去设计中搁置的几个选项，以尽可能提高设计的能效和性能。也就是说，我们才刚刚开始了解每种技术的潜力。

继续读下去，了解更多关于低功耗设计例如，需要考虑的关键设计技术、扩展物联网应用的挑战和机遇，以及为什么普及连接将推动下一代物联网设计。

为互联世界设计

物联网的美妙之处在于，无论设备的位置如何，它都能使设备交换数据，并以以前无法想象的方式进行控制。在过去，物理上的接近是插入式机械或电气设备进行功能合作的关键前提。这种依赖距离的连接限制了设备控制的范围和方式。如今，具有先进通信能力的微处理器已经创建了更大的物联网系统，并用大量的“边缘设备”取代了刚性物理系统的障碍。

传统上，物联网设计团队的唯一目标是降低成本，而不是降低功耗。虽然降低功耗一直很重要，但当将降低成本作为压倒一切的优先事项时，设计师将被迫绕过功耗降低技术，以满足预算要求。另一方面，如今的垂直排列系统公司将功耗降低视为对总拥有成本的一种好处。对他们来说，长期的能源消耗远远超过每单位的芯片成本，所以他们优先考虑低功耗，并利用其与高性能和高效处理的结合，而不仅仅是降低硅成本——完全改变了功耗游戏。简而言之，低功耗、延长电池寿命和最小能源足迹的市场价值不断增长，已经改变了关于电源的对话。

人工智能(AI)等智能技术的进步使团队能够缩小特定任务的范围，并优化每瓦电力。

将需要多种人工智能算法和额外的灵活性来处理新兴市场的需求。这将使系统工程师能够更深入地了解如何优化芯片的功耗，并将权衡平衡从最终的灵活性和极低的成本转变为更低的灵活性和更低的功耗。

对低功耗设计的需求

世界各地的公司都在推动便携式、手持和电池供电设备的更多特性和功能。通过降低功耗来提高电池寿命是这类产品的一个关键区别，对其最终应用至关重要。

从本质上讲，低功耗设计的目标是尽可能减少动态和静态组件的功耗。开关功率和短路功率构成动态功率，而静态功率由无信号活动时流过电路的泄漏电流组成。这些功率元件的值与频率、峰值电流、电压、过渡时间、泄漏电流、容性负载和开关活动等因素直接相关。

电压值越高，各部件消耗的功率越大。为了获得理想的性能，同时消耗最少的电力，通过各种低功耗技术和方法来测试这些因素的权衡，以满足激进的市场需求。

在决定插入式物联网设备是否需要复杂的冷却系统或散热器时，提高设备从关闭/睡眠状态转换到打开/激活状态所需的时间成为一个关键参数，这增加了电力成本。例如，在使用并行系统的服务器群中升级ic可以节省大量的电力和成本，因为使用单个芯片对系统有重大影响。

在过去，采购团队的主要目标是找到降低硅成本并结合连接性的最佳方法，这是一项艰巨的任务，要成功实现这两个参数，因为需要额外的内存和外设来支持这些类型的需求。

随着人工智能的普及，我们预计更多特定于应用的任务将为SoC设计团队提供针对特定设计功能和组件进行优化的机会。与智能手机市场不同，这些设计必须对多种应用程序具有吸引力，以确保数量与设计投资相匹配，这使得降低成本具有挑战性。

关键的低功耗设计技术

物联网边缘设备内部的底层硅从根本上执行三个关键功能:传感、处理和通信。导致业界对低功耗设计重新燃起兴趣的原因是，市场对物联网设备的需求日益增长，要求它们具有高性能、长电池寿命和移动性。

在进行低功耗设计时，可以采用以下几种技术:

• 时钟门控:在逻辑综合期间执行，其中具有“使能”输入的触发器被优化为时钟门控结构。该技术通过减少对多个多路复用器的需求来节省大量的面积，并通过减少总体切换活动来最小化动态功率。
• 多电压域:该技术将芯片的功能根据性能特征划分为不同的电压域块。然后，底层设计考虑了芯片的哪个区域需要更高的电压才能工作，而不是将整个区域都归类为高性能。这有助于降低动态和静态功耗。
• 功率控制:类似于芯片/系统级的多电压方法，IC内的功能根据其功率域划分为块。电源门控有效地完全切断了一个块的电源，从而节省了静态和动态功率。
• 登记保留:这种方法通常与功率门控技术结合使用。当块关闭时，块中的一个flops子集或所有flops都保存了它们之前的值，然后在打开时恢复。这通过缩短恢复块原始状态所需的时间和步骤来节省电力，并提高了整体爬坡时间。

除此之外，还有许多更先进的技术，如过程节点选择、选择自定义处理器以获得更高效的功能、井偏置、零引脚保持触发器、耦合系统的不同部分、动态电压和频率缩放(DVFS)以及自适应电压和频率缩放(AVFS)。例如，许多现代处理器都有使用较低电压的电源门控模块，并具有隔离、保留和电平转换。

最新的无线连接解决方案

如今，系统设计人员有许多无线连接协议可供选择，每种协议都针对不同的应用程序提供独特的优点。

有一些基于低通量无线技术的产品，如低能耗蓝牙，其增加的功能降低了功耗和成本，同时保持了与经典蓝牙版本相似的范围，因此需求不断增加。

基于IEEE 802.15.4的协议，如Zigbee和Thread，提供了短距离的低数据速率连接，显然正与其他专用协议一起获得动力。虽然不同的标准可能有不同的管理标准和功能，包括安全、位置服务和音频，但从根本上说，它们都支持对更大带宽和更多设备连接到互联网的日益增长的需求。Wi-Fi 6等更新的无线标准在拥挤地区提供更快的速度和更好的性能，几乎在每个最新的SoC设计中都以创纪录的速度被采用。

随着Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7的未来承诺，在更高的速度和带宽下，有很大的创新和采用空间，这对低功耗提出了新的要求。

利用高质量IP加速物联网SoC设计的成功

客户可以选择多种方法来评估最大化吞吐量的方法，允许设计团队在功耗、面积、成本或性能之间进行权衡。从处理器、编译器、ram、基础IP到接口IP，所有的东西都具有断电特性，并且需要根据最终应用程序考虑不同的权衡。

多年来，新思科技一直致力于为客户提供全面的IP解决方案Synopsys DesignWare IP，使SoC团队能够更快地实现物联网设计的需求，并显著降低风险。产品组合包括经过硅验证的有线和无线接口IP、数据转换器、安全IP、低功耗嵌入式存储器和逻辑库、节能处理器核心和集成IP子系统。

我们在知识产权质量和全面技术支持方面的投资也扩大了我们的整体客户市场，让更多的客户采用最适合他们需求的工具。基于最新的配置和行业标准，我们将继续支持行业对PCIe、USB和DDR等高速协议的需求，同时为先进的物联网SoC设计实现最高级别的安全性。

总结

随着物联网技术的不断进步和便携式设备功能的不断扩展，5G网络的日益部署以及对人工智能和自动化的兴趣将要求团队投资改进SoC设计技术、设计优化和定制工具。

无处不在的连接显然将推动物联网设计路线图，并对寻找有效方法来提高全球城市的运营效率、能源使用和整体生活质量产生更大的影响。通过继续优先考虑物联网应用的低功耗设计和延长电池寿命，每天为智能设备充电的担忧可能会成为过去。

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