永远开机，超低功耗设计获得青睐

电池驱动的电子设备激增，再加上对更多功能、智能和性能的需求不断增长，使得功耗低得多的芯片设计受到重视。这对于始终在线的电路来说尤其如此，这些电路正被添加到AR/VR、具有空中更新的汽车应用、安全摄像头、无人机和机器人技术中。

也称为电源管理架构，这些设计包括电源关闭或关闭的电路。在这种情况下物联网设计和微控制器，这可能包括多达10个管理电源域。手机soc可能有数百个电源管理区域。在具有独立电源管理核心的服务器设计中，soc可能包含多达128个计算引擎。

Synopsys的研究员Godwin Maben表示，在低功耗/超低功耗设备中，有两类始终在线(AON)架构:移动和物联网边缘设备，以及超低功耗关键任务设备。“在移动和物联网边缘设备中，我们的目标是最大限度地减少AON逻辑，因为它会影响电池寿命，所以关键的挑战是确定需要保持永远在线(活跃)的东西。为了实现这一点，设计师们提出了“完全活的”、“部分活的”、“半活的”和“关闭的”架构。这里的关键逻辑组件包括调制解调器(用于信号轮询)、锁相环和保持始终开启所需的时钟逻辑。在许多情况下，保留寄存器用于实现这一目标。”

Maben指出，在超低功耗任务关键设备(如医疗设备/起搏器、紧急警报和芯片安全组件)中，这些设备必须始终处于开启状态，但仍然必须对功率非常敏感，因为电池预计会持续很长时间。“为了实现这一点，架构师在非常低的电压下工作，并将AON架构分为‘近VT电压’、‘超低电压’、‘低压’、‘中压’等方案。这类似于关闭/电源门控架构，除了电压控制的方式，设备仍然活跃，即使不活跃使用也能保持值。”

Tensilica Vision和AI dsp的产品管理和营销总监Amol Borkar指出，换句话说，“永远在线”是一种非常基本的计算形式，它在设备上持续运行节奏．“例如，当你的手机放在桌子上时，屏幕是关闭的。但当你拿起手机并保持一定角度时，它会假设有人可能正在看手机。这就是屏幕亮起来的原因。这是一个永远在线的应用程序的例子。手机上一直在运行一些非常低功耗的计算，当它触发指示你需要启动CPU或AI引擎等大型设备时，它才会唤醒它们。”

在过去，这种唤醒是通过非常基本的处理来完成的，就像一个小陀螺仪来观察手机的方向，因为用户不可能一直看着手机。博卡说:“如果你把它转到某个角度，就会显示出来。”“此外，当你把手机放在耳朵附近时，它的显示屏就会熄灭，因为它有一个非常基本的红外摄像头，它只会看到一定程度的接近，然后判断何时打开或关闭显示屏。这就是‘永远在线’的开始。”

最近，人们对添加人工智能以使设备更智能的兴趣越来越大。“当你添加人工智能时，通常意味着有更多的计算进入设备，这导致更多的功耗。因此，目前正在进行工作，以确定如何在低功耗或超低功耗领域运行。”

奥马尔·克鲁兹，产品营销经理Synopsys对此表示同意。”神经网络实现正在成为始终在线系统中的一种趋势。语音命令或通过面部触发来支持系统唤醒的时刻监视现在正在使用机器学习技术来识别这些语音命令、面部等。虽然在非常低的功耗范围内实现这些功能仍然是一个关键要求，但现在您的始终在线处理器也需要能够促进机器学习推理需求。”

图1:一直开着的和关机的。来源:Synopsys对此

设计这些设备说起来容易做起来难。超低功耗器件具有复杂的挑战，需要在设计流程的早期处理。

“在结构上，电源管理设计需要确保所有被关闭的信号都被适当隔离，”里克·科斯特(Rick Koster)说西门子EDA．“在多电压设计中，在电压之间传递的信号需要进行适当的电平移位。从功能上讲，验证过程需要确保设计可以进入和退出所有指定的电源模式——而且只能进入和退出指定的模式。验证必须确保所有电源模式以正确的顺序转换。这听起来很简单，但具有200个管理电源域的设计具有2**200或1.6 x 10的最小验证状态空间⁶⁰．”

超低功耗、始终在线的架构存在很多问题。它真的一直开着，还是部分开着?真的有永远开机的等级吗?如果不需要一直100%运行，这对于优先级和分区方案意味着什么?这种类型的体系结构有多少是依赖于应用程序的?

Cruz还表示，正在开发的设备可以通过人机界面(包括语音、动作和/或视觉)与人类在永远在线的应用程序中进行交互，这是计算密集型的，并且使用大型耗电处理器，这大大缩短了电池寿命。“为了降低这些大型处理器的功耗，现在使用更小的‘唤醒’核心来检测多个传感器接口输入，并确定人类交互是否即将开始，何时唤醒更大的计算核心。”

新的数学
罗兰·扬克，设计方法学部门的负责人弗劳恩霍夫IIS的自适应系统部的工程师指出，如何将使用配置文件集成到开发过程中是一个挑战，并听到客户说他们不知道如何设计一个永远在线的电路。这对整个汽车生态系统产生了重大影响。

杨克说:“在汽车行业，多年来人们都知道，汽车的平均售价是5%，折扣是95%。“但现在情况已经不一样了，因为我们有很多从汽车到外部世界的接口一直是开着的，比如电池充电。如果汽车熄火了，就会打开电网充电，所以，它总是开着的——要么充电，要么放电。”

这一点在无线更新中表现得尤为明显，并引发了其他担忧。“在过去，因为假设汽车只有5%的寿命，工程团队有很多方法来估算老化，”janke说。“如果你以100%的速度运行芯片，那么你的寿命加速就会增加20倍，因为在运行中它只会工作5%的时间。但如果你现在想设计一个必须100%工作的电路，你没有办法模拟加速，除了温度，但即使这是有限的。如果一个芯片必须在高温下工作，你不能在不影响硅的情况下在温度范围内工作太久，因此这也是设计芯片的一个挑战。如果你没有这些老化或退化效应的加速因子，你就无法测试它，这有助于我们开发仍然允许加速的退化模型。如果你知道加速度因子是多少，你就可以在模拟中尽可能地加快速度，这在现场测试中是不可能实现的。”

所有这些因素使能力评估分析更关键也更困难。

低功耗规划
始终在线电源背后的一个重要驱动因素是将更多的智能转移到边缘，在边缘，系统需要保持最新，并且根据应用程序了解环境中的任何变化。但它们也需要极低的功耗，这需要在架构层面进行设计。

该公司执行副总裁Sailesh Chittipeddi表示:“随着处理器变得越来越复杂，你需要更多的数字多相控制器和智能电源级瑞萨电子美国公司．“你需要问的是，‘我需要什么样的计算能力?或者我需要什么样的计算能力。它是否针对工作负载进行了优化?最终的因素仍然是最低的功耗。然后问题就变成了，你是把连接放在飞机上，还是放在外面?或者在优化能耗方面该怎么做呢?这是必须在系统层面上解决的问题。”

工程团队用来降低功率的主要方法是降低电压。时钟门控是另一种常用的技术，它将时钟全部关闭。但今天的设计使这些方法更加困难。

“今天，我们在一些区块上看到大约500毫伏的供应，尽管我在大学时似乎记得硅需要0.7伏特才能通过缺口，但显然现在不再是这样了，”马克·斯温宁(Marc Swinnen)说，他是英特尔半导体事业部的产品营销总监有限元分析软件．“这些电压非常低。这使得功率分析和功率完整性变得更加重要。当你有1.5到1.9伏电压时，你可能会损失100毫伏作为边缘的一部分，因为那里有很多。但是已经没有足够的能量了，所以你必须更加小心能量的分配。必须细致到细节进行分析，因为边际优惠是行不通的。你需要确切地了解你将会有多少电压降。”

西门子EDA首席技术营销工程师Mohammed Fahad对此表示赞同。“在功率估计的范围内，在设计功耗和节能ic时需要考虑各种因素，如封装、电压降、电迁移(di/dt)和温度超调。”

电动工具可以执行峰值功率和di/dt分析，以确定设计和模拟窗口中绘制这些功率峰值和电流突然峰值的部分。这些信息可以用来减少电迁移、串扰等信号完整性问题。功率估计工具还可以帮助识别涉及功耗的问题，但它们不能解决这些问题。

Fahad表示:“工程团队需要使用功率优化技术，以便将功率提升重新纳入到功率预算中，因此，根据成本和上市时间的考虑，可以采用各种技术。”

此外，在众多设计考虑因素中，在解决低功耗和高性能的设计时，设计师必须考虑到时间和面积的影响。

“在优化功率设计时，低功率合成工具能够通过限制V的设计来考虑设计的时间方面_th整个逻辑综合的分布，”Fahad说。多v的选择_th晶体管有助于满足时序路径的要求。例如，构建具有低V的时间关键逻辑_thcell使信号传输迅速，但造成较大的漏电功耗。另一方面，使用高V_thCell降低了泄漏功率，但只适用于较慢的逻辑路径。RTL级别的电源感知时钟门控(其中功率降低Is maximum)是降低较高功耗的最流行方法之一，但可能会导致芯片空间上的额外逻辑。例如，引导功率优化建议具有最低区域开销的省电启用表达式(与设计的总体门数相比，通常可以忽略不计)。设计人员通常需要考虑的是实现建议的enable表达式的角色。选择取决于节能与与特定节能建议相关的成本/努力。”

设计人员还在RTL级别上寻找机会，通过重构编码的RTL来降低逻辑块的功耗和时间关键性。电源优化工具带有一种称为微架构指导的功能，它可以帮助用户重新实现部分逻辑，当以其他方式实现时，可以节省大量的电源，以及节省放松区域和时间需求。

还有一些次要影响需要考虑。“其中一些电阻依赖于温度，”Ansys的Swinnen说。“因为电压降与电阻有关，它取决于温度。在今天的先进节点中，整个模具的温度都是不同的，在这个区域会有变化，需要考虑在内。”

然而，现在最重要的是应对动态问题电压降．他说:“过去，通过观察栅极的平均消耗来静态分析电压降，以确定电网是否足够大，可以满足平均需求。”“现在我们看到的是静态电压降，或自降。如果一个门开关，它就会吸收能量并降低一些电压。这是自降，仅占目前最大压降的15%。其中大部分来自动态电压降，这意味着你的邻居正在切换，而恰巧在你切换的同时切换的邻居的模式星座会一起拉低你的本地功率。”

另一个问题是芯片在物理上并没有变大，但在电上却变大了。

“过去，驱动程序可以将信号从芯片的一端一直传送到另一端。但现在情况不同了。”“你需要多个中继器才能通过芯片，所以在电力方面它变得更大了。现在的电网和高阻性电线也是一样的因为它们太细了，这意味着当你往下拉局部电源时，电流就会从外围冲进来填满它。但是因为外围太远了，你和外围之间有很大的阻力，能量需要很长时间才能到达。无论你在更远的地方做什么，当地的电源供应都会下降很多，所以你不能依靠来自边缘的流电源一直快速进入，因为阻力太大了。”

与此同时，假设所有东西都会切换是不现实的，这使得这成为一个非常困难的问题。

Swinnen指出:“在没有人想要增加利润的情况下，行业正在努力解决如何管理动态电压下降的问题，但有数十亿种可能的切换场景。”“你可以说，‘我们会向它投掷一些载体，’但这些载体涵盖了所有可能的使用场景。传统上，人们解决症状。他们做了一个分析，他们运行了一些向量，他们看看是否所有的门都看到了过高的电压降。你可以扩大大门的尺寸，或者把大的入侵者转移到某个地方，但这只是治标不治本。应该使用先进的功率度量技术来分析这些问题的根本原因，这样当有多个场景时，就可以确定每个攻击者对电压降的贡献有多大。这是一小部分入侵者实际上造成了大部分问题。因此，与其治疗症状，不如识别出更小的重要攻击者子集，解决它们，然后当你把一个攻击者移走时，你就解决了20或30个电压下降问题。这是解决问题的更有效的方法——找到根本原因并治疗原因，而不是治标不治本。”

Synopsys的Cruz建议设计人员始终牢记，低功耗是电池供电设备的关键要求，而长期在线的传感器监控通常是较大SoC需求的一部分，它结合了超低功耗控制和DSP功能，能够处理传感器输入，以超低功耗预算(<<1 mW)检测事件，即人脸检测。同时，它还在特定事件时唤醒SoC的其他部分，即唤醒面部识别的视觉处理器。”

展望未来
在过去的几年里，始终在线的架构方法在音频方面的关键字发现方面不断发展。Cadence的博卡说:“这就是你说‘嘿，谷歌’或‘嘿，Alexa’的时候。“设备的某些部分正在监听少量的处理。当它听到这个命令时，它就会唤醒后续的处理块以听到更精细的命令。这提供了最好的电池寿命保护。”

其他设备也是如此。博卡说:“如果你用同样的类比，把它转移到视觉处理或基于摄像头的处理上，新的趋势是视觉唤醒词。”“现在的问题是，我是想做一种非常基本的人检测还是人脸检测，比如，‘摄像头附近是否有一张我可以识别为人脸的脸?“这是一种非常基本的处理过程，它会说，‘是的，有一张脸，我应该开始做一些面部认证。“这引起了那些在设备中安装了麦克风的开发者的兴趣，现在他们又想在设备上添加摄像头。它可能在有很多可能无法过滤掉的噪音的环境中很有用。摄像头可以用来确定是否有人在看我，或者附近有人。例如，在视频门铃应用中，它可以使用人员检测来知道有人在门铃附近，这样当第一次筛查足够时，它可以继续进行更准确的识别。”

西门子EDA的Koster表示，从根本上讲，设计工程师需要牢记电力是一个电气问题，这需要了解制造过程。“例如，引体向上是与开关电源相连，还是与永远开机的电源相连?”穿过功率域的信号将被关闭还是通过?隔离信号以使其不会干扰活动逻辑的适当值是多少?这些都是工程师需要记住的一些例子。”