超低功耗设计物联网设备

优化设计能力是成为顶级设计挑战电池驱动物联网设备,盒装的需求,如低成本、最低性能和功能,以及需要至少一些电路总是。

功率优化增长更加复杂随着人工智能推测从数据中心到边缘。甚至简单的传感器或传感器中心现在需要预处理快速大量的数据中提取有价值的数据并将其发送到云或其他处理器。结果是越来越强调权力优化和减少技术和复杂的设计权衡,甚至一年前不可能被认为是在一个物联网设备。

的一大挑战是了解目标市场,用例和工作环境,以避免过度设计一个解决方案,这将增加成本,设计时间和不必要的复杂性。但这也意味着芯片需要设计一个特定应用程序的上下文中,这需要一个工作关系更加紧密的人发展集成电路、软件、终端设备,甚至可能他们将连接到系统。

“第一个任务是理解的环境系统将操作,”朗达说Dirvin,嵌入式高级总监、营销项目和汽车行业手臂。”例如,系统总是运行在电池或有机会额外注射的权力通过墙壁充电器、太阳能或动能充电吗?接下来,一个完整的理解用例将帮助识别机会节省电力或潜在收获权力在不同时期。例如,在无人驾驶的情况下,一些螺旋桨产生的动能可以用于充电电池吗?这套,屏幕可以关掉不认为什么时候?对于移动设备,可以无线被关闭时,系统不依赖于连接到网络吗?”

多年来,电力专家一直在谈论需要低功率合并到的最早阶段设计。大芯片制造商发现,现在是一个先决条件的设计工作。事实上,Hooman Moshar,负责工程的副总裁博通公司宽带运营商的业务单元,称为“复仇女神”的设计师。

Moshar指着三面墙,设计团队面临开发芯片。一个是墙的面积,这是与收缩过程,在陡峭的面具和硅片成本的主要问题。第二个是一个速度墙,寄生开始进入图片限制性能的改善。第三是墙,各种组件集成在哪里超过功率降低。

”这些都是相互依赖的问题,”Moshar说,指着力量等因素变化新流程节点,阈下的泄漏,动态功率密度和一个新的强调降低电压来提高电池寿命。权力总是开始于“成功设计体系结构,这意味着预算,需要预测的准确性和signoffed在每个阶段的设计”。

它还需要仔细选择的所有组件,需要集成到系统中。

“现代处理器,中央处理、图形或AI,应该支持多种低功耗模式,“胳膊的Dirvin说。“在可能的情况下,系统内的主要处理块应该调整,以确保他们提供正确的数量计算的特定任务。它不仅仅是一种选择数组的低功耗模式的体系结构。一个充满活力的生态系统,它提供了一系列的工具,调试器、编译器、驱动程序和操作系统将有助于确保硬件被正确地实现这些电能节约管理。最后,考虑整个系统,而不是主处理元素。整个系统的力量,不仅芯片权力,需要考虑。选择低功耗外设会补充你的节能计算选择。”

这是一个拼图的。有不同的技术和挑战的这些类型的应用程序,它并不总是人们期望什么。

“当你问人们是否关心权力,每个人都说没错,但这意味着完全不同的事物对不同的人,即使真的很重要,”戴夫Pursley说,产品管理总监节奏数字&签收集团。”在“其他设备”,人们几乎总是想减少权力,但他们想减少权力的约束内所有其他部门的限制区域,在性能的约束,约束的功能。”

同样,真正的超低功耗设计应用程序时,最好的优化到目前为止从正确的体系结构。“工程团队设计不间断,超低功耗,电池驱动的设备,要花费大量的时间试图让架构正确因为他们知道高达80%的功率优化锁定的时候RTL编码,“Pursley说。“因此,如果你想使用所有这些技术,使用其他设备的工程师,你绝对需要使用它们。但这些不会移动针。他们是绝对必需的。它们是必要的,但不充分。你需要花一些时间做架构的分析和探索。”

不过,体系结构分析可以涉及低功率时非常困难的,因为大多数设计师没有同样的直观感受权力相关的影响决定作为区域或当他们优化性能。“这可能是因为他们没有经常主要关注权力,”他说。“同时,力量是动态的,这取决于输入的刺激是什么。你可以做出决定基于一个输入刺激,它甚至可以是一个完美的决定。但是,当你得到实际应用做实际的刺激(实际向量),它可以是不同的。一个典型的例子是一个芯片的优化能力,他们优化的方法是他们做的分析引导Linux。问题是引导Linux时发生的一切,完全不同于当运行Linux与实际应用程序结束。我建议这些类型的工程师是确保他们花时间预先分析和找出他们的权力优化。”

共识是普遍的在这一点上,从工具厂商和最终用户。Annapoorna Krishnaswamy、产品营销经理有限元分析软件对权力,强调RTL-to-GDS设计方法提供早期的见解是很关键的RTL级的实力估计,analysis-driven功率降低功能和RTL-based电网完整规划。和所有的包装应具有成本效益的选择,能满足电能和热能的要求。

”同时,功率输出网络(生产)是一个完全连接网络芯片,包和董事会和所有真正的用例场景必须可靠地工作,”Krishnaswamy说。“全面工作流解决权力,在芯片的光谱和热信号完整性问题,包和董事会可以帮助避免在设计导致成本或在设计导致产品失败,帮助加速产品成功。”

减少利润
的一个重要方式,工程师过去处理能力是添加更多的边缘设计。保证金包括区域和电路,然而,随着设备变得越来越复杂和异构,开始对权力和性能造成损失也增加了成本。

”在设计最大的问题是知道多少你在设计,”奥利弗·王说,首席技术官Moortec半导体。“特别是最进步的节点上,真的没有人知道finFET老化模型,但这些东西可以提供实时监控的见解。如果我们能说,在任务模式中,这多少是已经退化,那么它给反应的能力。这就不如保证寿命模型,但是没有人,今天,我们必须解决它。”

这是特别明显的设计涉及人工智能、机器学习和深度学习,特别是在边缘。

这些应用程序,有一个非常强烈的愿望推动力量,,,减少供应电压和操作事情接近边缘,”国王说。“这就是真的可以归结为。有保证金,工程团队想要的利润几乎是离开了——在某些情况下它可能消失,他们必须备份一下。设计的基本前提是利润率主要因为我们不知道有多少的过程是不同的,或者更真实,速度一个特定的芯片是什么。作为一个结果,你设计的芯片工作在一堆利润率和PVT的角落,因为他们会被称为,尽管这可能是一个简化现在因为“P”是一组多个角落。如果你可以测量,可能可以有效地优化供应电压,这是你需要做什么。如果你的吞吐量是一个已知的目标,你可以调整电压,吞吐量。如果你的芯片速度快,你需要供应不及,如果它是缓慢的,因此您可以有效地将商场推向中间,它给你一个狭义的扩散性能,这是大多数人想要什么。”

还有其他技术因素在设计设备电池驱动,超低功耗物联网设备,根据Torsten帝国,组管理器集成传感器电路弗劳恩霍夫东亚峰会。其中包括:

• 选择最半导体技术(由商业方面,比模拟/数字组件和用例驱动功率预算)。
• 亚阈值设计。
• 建立技术转移从数字到模拟组件,如电压缩放、clock-gating,频宽比和唤醒技术。
• Time-to-digital转换的方法。
• 切换电路的方法。
• 超低功耗优化的本地和全球电源管理。
• 复杂的直流-直流转换器作为推动者。
• ULP-optimized AMS设计,从模型到布局。

新的验证方法
在半导体世界日益充斥着异构系统和标准的平台,很有可能一些物联网应用程序将使用大芯片,但只有所需要的力量。此外,一些物联网平台将包含一个广泛的传感器和传感器的逻辑,只有少数的可能用于给定的应用程序。

这使它验证的关键,只有接受的权力模式可以配置芯片操作期间,汤姆·安德森指出,技术营销顾问OneSpin解决方案。

“驱动比原计划更多的部分设备可能超过电池的限制,妥协冷却方法,硅或永久损害,”安德森说。“只有形式验证的详尽的分析可以证明功率控制器和相关逻辑将保持在可接受的操作模式。因此,除了安全问题,推动更广泛的采用正式的物联网技术验证的设计。”

可以肯定的是,这个行业现在看到一些非常极端的权力需求时远程物联网设备。例子:戴夫Kelf,首席营销官Breker验证系统指出,最近的工作与一个用户参与设计的电池必须在产品的整个生命周期,这是大约10年在设备上执行一些强有力的信号处理和无线通信。

“最大的一个问题是衡量潜在的能源消耗在制造之前,“Kelf说。“唯一明智的方法是提高测试抽象,他们可以统计操作系统级的参数,然后进行详细的分析设计的操作在运行这些测试。新的验证技术用于这些目的,这是一个模拟和便携式刺激testbenches玩。”

结论
创建低功耗设计从来都不是容易的,结果通常是组件得到了最少的关注。但随着公差缩小过程几何图形,和异构元素设计的数量继续扩大,电力已成为设计的关键部分,在许多情况下,最重要的一个。

尤其如此设计的优势,和任何绑定到一个电池,因为这些设备的性能要求都要即使功率保持不变或下降。也使得它越来越难以设计这些设备,这可能会成为更边缘添加更多的计算需求。