为极低功耗设计

低功耗设计有几种可用的技术，但只要涉及到纳瓦或皮焦耳，就必须使用所有可用的方法。

一些必要的技术与用于高端设计的不同。随着时间的推移，其他的设计已经丢失了，因为它们的影响被认为太小，或者不值得额外的设计工作。但对于那些仅靠一块电池就能维持一生或需要消耗运行所需电量的设备来说，已经没有任何办法了。

Calypto集团战略和业务发展高级经理Anoop Saha说:“在过去的30年里，人们通过降低几何节点来优化和降低功率。Mentor是西门子旗下的企业．“但对于由电池运行的物联网设备来说，人们开始担心微焦耳和皮焦耳的能量。然后，极低的功率变得更加关键。我看到现在的情况与市场需求之间存在差距。”

有几个级别可以优化功率。Dave Pursley, Digital & Signoff Group的产品管理总监节奏等于马斯洛需求层次论为人类。“低功耗设计，或任何设计的最基本需求，就是硅需要可靠地工作。”

在这一层次上可以而且应该取得进展。“这一领域最重要的障碍之一是需要全面的低功耗模型，”奥迪设计方法学部门负责人罗兰•扬克(Roland janke)表示弗劳恩霍夫IIS的自适应系统工程部。“这些由设计系统提供，由铸造厂参数化，并由设计师在开发流程中使用。这一领域的技术似乎比开发工具和标准进步得更快。”

Pursley说，在设计流程的早期，你会更加关注优化的需求。“设计和实现团队专注于最小化设计的力量。多模式多角优化，多比特单元推理，多vt泄漏优化，时钟门控，功率意图等，都集中在最小化功率的设计上。在某些情况下(实际上是很多情况下)，依赖于优化和注销将满足您的需求。你的硅能够并且将会在这种对能量的高度关注下生存下去。”

高频率时钟设计和低频率时钟设计之间的一个显著区别是人字拖之间可以容纳的逻辑量。Cadence的产品管理总监罗布•克诺斯(Rob Knoth)表示:“你可以拥有深度数据路径，因为你不必在非常高的时钟频率下运行这些电路。”“然而，这增加了发生故障的数量。这可以显著增加总功率，特别是在传输故障的情况下。这是一个没有被栅极过滤的小故障，可以导致一个实际的开关。只要它在时钟边缘之前解决，就没有功能问题，但边缘之间的电源切换将会上升。这促使人们考虑更多容错逻辑设计，也促使EDA供应商在整合更智能的故障分析和优化方面变得更聪明。”

控制权力变得更加重要的时候Dennard扩展大约20年前就停止了。虽然新节点确实提供了更低的功率，但它们的成本却在增加。但是功率并不会随着尺寸的减小而减小，这意味着功率密度可能会增加。“进入较低的节点并不是减少的唯一方法电力消耗门拓的萨哈说。“我见过一些例子，为特定用例设计和优化的特殊用途芯片比采用7nm工艺实现的通用设计消耗更少的功率，尽管优化设计的节点更高。”

大多数开发团队都对这些类型的优化感到满意。“纳米瓦和皮焦耳系统今天是可以实现的，但需要许多节能技巧部署在一起，”詹姆斯迈尔斯说，杰出的工程师手臂．“这包括功率控制所有可能的方法都可以抑制泄漏，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计数，然后尽可能降低电压。”

在马斯洛的层次结构之上是一个完全不同的世界。Pursley补充道:“当设计极低功耗时，考虑到纳瓦和皮焦耳的问题，创造最低功耗的设计实现是不够的。”“你需要为最低功耗的设计创造最低功耗的实现。”

这三个层次都很重要。Atmosic首席执行官David Su表示:“为了实现更低的功耗，该行业将需要改进SoC设计技术、设计优化和定制以及工艺技术扩展。“这些技术结合在一起将产生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，最大限度地延长电池寿命。通过降低功耗和延长电池寿命，我们将看到这一点物联网在这些解决方案中，电池将持续产品本身的寿命。”

重要的是没有一个层次被忽略。PowerArtist的产品管理主管Preeti Gupta说:“电容、电压和频率——这些都是设计师可以控制的东西有限元分析软件．“这就是我们看到很多人在考虑如何处理电源电压的地方——无论是降低电压还是使用多个电压域或使用功率门控。我们听说过动态频率缩放。时钟门控是指关闭多余的活动。通过算法考虑，有很多技术在早期被应用到最后阶段，在最后阶段，你可以进行多vt优化或引脚交换，或路径平衡来降低功耗。”

建筑的重要性
大多数物联网边缘设备基本上相当相似。该公司营销副总裁库尔特•舒勒表示:“这种芯片基本上具有传感、处理和通信功能Arteris IP．“通常有一个或多个传感器连接到它。这些东西周期性地轮询或通信。他们通常把芯片的一部分称为“一直开着”，尽管它并不是一直开着。它正在进行通信，并检查传感器是否有任何信号。相比手机，或者一些AI芯片，ADAS芯片，这些芯片并不大。这些都是非常小的芯片，但其中的电源管理非常复杂。”

还有其他一些应用程序看起来可能非常不同。“必须有特定领域的架构创新，”Saha说。“关于电力的去向，已经有相当多的研究。例如，在计算中，大量的功耗与片外DRAM访问有关。如何优化呢?你可以通过改变你的软件来减少存取DRAM的次数，或者通过改变硬件来减少接近计算单元的可用内存。”

对于其他应用程序，将小型系统专用于特定任务效果很好。“按需唤醒技术允许终端设备在保持极低功耗状态的情况下侦听传入的‘唤醒’信号，”Atmosic的Su说，“这不仅将系统功耗降低了一个数量级，而且通过保持信标处于待机模式，减少了信号在空中的碰撞。”

在这个层次上把事情做好需要分析。“如何找到最佳的低功耗架构?”珀斯利问道。“解决方案的空间是巨大的。算法可以改变;架构可以改变;硬件-软件边界可以改变。在过去的几年里，这种权衡分析充其量只是基于一些粗略的计算，以及‘我知道我上次是怎么做的’。”

有很多问题需要回答。“硬件和软件的界限在哪里?萨哈问道。“你如何弄清楚硬件和软件合作设计是其中很重要的一部分。哪些部分应该进入硬件，哪些部分应该进入软件?什么是正确的记忆结构，什么是正确的量化，什么是不同微建筑特征的正确方面?如果你不使用高级合成(HLS)，很多决定都是在你开始写你的简历之前做出的Verilog代码。对于低功耗设备来说，这是一个问题，因为你不知道最适合你的应用程序或设计的架构是什么，你需要灵活性。你需要能够非常迅速地改变事情，迅速地衡量它。”

“对于数字设计师和架构师来说，高级综合(HLS)允许他们定量评估这些架构决策，并为广泛的架构权衡快速创建和评估RTL，”Pursley补充道。“HLS与逻辑合成而且能力评估为设计师和架构师提供快速、早期和准确的功率、性能和面积分析。”

最近存在于硬件和软件边界的另一种功耗优化策略是利用可扩展的处理器体系结构。“我见过有人使用高级合成在处理器中创建自定义指令，”Saha说。“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的重复任务，这可能是有意义的，或者你可以把它放在处理器之外，作为加速器。这些是架构决策。对于某些应用程序，自定义指令将是最优的，但有许多应用程序在加速器中做事情是更优的。”

有时候你把电源控制放在哪里也很重要。“时钟门控、功率门控或其他功率优化状态有各种组合和排列，”Arteris的Shuler说。“可能有20多个不同的项目。它们打开和关闭不同的东西，根据它们正在做的事情以更低或更高的频率记录事物。必须处理电源模式的状态机相当复杂。片上网络(NoC)是所有这些块和子系统之间的高速公路和旁路。这就是他们关闭电源的地方，很快就能恢复。它们不仅要经过所有的状态，而且要非常快地经过它们。NoC的电源管理实际上是非常先进的。”

降低电压
功耗与电压呈二次关系式。Arm的迈尔斯说:“但是降低电压是最难实施的节能策略。“它可以在接近阈值和亚阈值电压下返回4到10倍的增益。最终限制我们的是DC-DC转换效率和非易失性内存访问能量，尽管这两者最近都在改进。但是，通过改进代工和EDA支持，可以减轻额外的设计成本。特别是，低电压下的变异性需要自适应技术，这可能很难签署，而且设备泄漏并不总是精确到皮安培精度。”

图1:最小能量点通常略高于阈值电压。来源:手臂

极低电压操作的问题之一是可变性会产生重大影响。“高度精确的PVT监控子系统的集成支持半导体设计界对提高器件可靠性和增强性能优化的需求，”Ramsay Allen说Moortec．“这使得AVS和电源管理控制系统等方案成为可能。”

在所有电压和频率边界上创建域交叉。Shuler说:“任何你改变时钟或创造一个权力域的地方——都是一个域交叉。”“有了电源，你就需要电平转换器，而有了时钟，你就需要异步连接。今天，我们有专门的工具来设计和验证这种交叉点，在许多情况下，这种困难可以有效地隐藏在互连中。实际情况是，当他们选择一个流程时，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，还是有很多机会去优化错误的东西。萨哈说:“你不仅要考虑如何衡量权力，还要考虑衡量的内容。”“这是架构、刺激和系统行为的功能。如何设计系统很重要。如何测量并找出测量的对象是很重要的。第三个问题是如何优化现有资源?”

不考虑用例是一个常见的错误。“许多人没有考虑用于功率估计和优化的刺激，”Pursley说。“人们很容易被局部极大值(可能是永远看不到的)所分散注意力，从而忽略电力问题。在探索和早期设计阶段，您可能希望最小化总体功率。你使用的刺激方案不太可能显示出最坏情况下的电力问题，就像设计用于暴露极端情况的刺激方案在典型使用模式下最小化电力时不太可能非常有用一样。”

结论
有许多因素会影响设备的总功率或能源消耗，但在寻找创建极低功耗设备时，可以不遗余力。有一种说法是，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好的选择。这种情况确实发生在权力领域，在权力领域，近阈值设计等技术正受到越来越多的关注。

编者注:A教程和小组会议在DAC将解决近阈值设计的一些挑战和机遇。该节目将于太平洋时间7月21日周二下午3:30播出。