功率优化策略扩大

在新的和现有的市场中，越来越多的电子内容正在创造不同的，有时相互竞争的电源优化需求。

在过去的十年里，EDA一直受到手机行业的推动，而手机行业的重点是更好权力分析和优化工具，以降低功耗和延长电池寿命。在能源效率不断提高的同时，其他行业也在增加不同的压力，并有不同的担忧。

过多的功率优化策略和正在使用它们的行业是调查的项目之一Synopsys对此在SNUG 2016活动期间(见图1)。

图1:低功耗复杂度增长。资料来源:Synopsys - SNUG 2016

图1显示了每个行业对这个问题的看法略有不同。“微处理器的观点是，功率和频率是同一枚硬币的两面，”Rob Knoth说，Digital & Signoff集团的产品管理总监节奏．“你可以通过修改一个来实现另一个。当您查看其他应用程序领域时，它变得更加微妙。然而，没有人愿意浪费能源。问题是浪费它要付出多少代价。”

不同的应用领域有不同的理由进行功率优化。Austemper Design Systems产品和业务发展副总裁Srikanth Rengarajan解释说:“基于应用程序的电源架构，有两种类型的电源优化——功率受限或能量受限。”“移动设备不同于服务器。功率受限的环境倾向于在一个应用程序单元与另一个应用程序单元之间进行比较，以优化性能为总体目标。它们的硬限制是由供应限制或更有可能的热限制驱动的最大功耗。”

能量受限的系统很少有供应或热的问题。”物联网开发人员并不担心热管理，”Tanner产品内部的产品经理杰夫·米勒(Jeff Miller)说Mentor是西门子旗下的企业．“如果你消耗的电量足以让设备发热，那你的电池就已经没电了。”

一些功率优化技术是通用的。“如果部分逻辑繁忙，但输出没有被使用，无论是物联网还是高性能计算，消除该活动将有助于提高功耗，”Preeti Gupta解释道有限元分析软件．“因此，热量问题降低了，你可能会使用更便宜的包，你可能会有一个更经济的电网。这是有后果的。改变的是一个特定的应用程序对功能的关心程度，以及他们愿意采取什么措施来解决这个问题。”

Knoth表示同意。“每个人都做了一定数量的功率优化，比如在停止时间之前进行Vt优化或Vt恢复，多Vdd方法变得更加标准。除了这些常见的方法，你还必须开始着眼于单个市场。”

物联网的压力和机遇
物联网正在成为电力和能源优化方面最积极的行业，它确实具有一些使电源管理更容易的特征。“对于物联网，目标是最大限度地减少电力消耗，同时最大限度地延长电池寿命和通信范围。想象力的技术．“物联网设备可能只需要不频繁地发送几千字节的数据SoC设计师寻求的无线电技术可以快速开启，通过物联网协议传输所需数据，然后进入低功耗睡眠模式，以节省电池寿命。”

这些设备通常比移动电话小，包括几个传感器+模拟数字电路数量较少的元件。它们通常是在较大的流程节点上开发的。“物联网边缘设备通常会选择更大的代工技术(约40nm)，或者正在使用的设备SOI该技术提供了优化后偏置的好处，其中预期的结温范围可以在室温附近徘徊，”该公司的CTO Oliver King说Moortec．“这意味着应用程序可能只要求设备在0°C到70°C之间运行，特别是如果物联网应用程序用于可穿戴设备、电池源传感器和其他低功耗应用程序。”

一个常见的策略是降低电压。“许多微控制器供应商正在考虑在亚阈值领域工作，这意味着在更低的电压下工作，”指出画Wingard，首席技术官超音速．“你可以大大减慢时钟，降低电压，这样你就可以在更低的能量下完成相同的功。电压越低，漏电情况也越好。挑战在于，它需要大量的描述，而这些描述不是免费的。它还增加了其他设计关注点，例如噪音利润率。当运行在0.6V时，你有多少噪声裕度?你对供应的稳定性有多少关注?”

Magdy Abadir，营销副总裁Helic对此表示赞同。“电源优化可能导致在低电压下运行，信号运行的误差余地非常小。电磁串扰引起的微小偏差可能导致意想不到的硅失效或产量损失。可靠性和老化效应会进一步侵蚀边际，因此电磁串扰效应会导致芯片故障。”

睡眠模式是这些设备的关键。“物联网设备比移动设备更能感知电量，具有深度睡眠模式，”他指出Stephen Crosher他是Moortec的首席执行官。此外，低电压操作也是典型要求。因此，出现了新的“诱导多能性”旨在支持这个不断增长的市场。”

物联网也带来了一些挑战。Mentor的Miller表示:“当你部署了一项新技术，却没有拥有整个生态系统时，这总是一个挑战。“垂直整合是有优势的。部署物联网边缘设备的系统公司通常会购买现成的东西，然后组装在一起。所以他们会购买微控制器、传感器和无线电，并将它们集成到PCB上。”

然而，这可能会产生问题。“当你有一个食物链，从开发参考软件的芯片人员，到产品或板级设计师，再到部署和激活系统的系统集成商，你就有必须处理的问题，”微软营销副总裁凯文·麦克德莫特(Kevin McDermott)说治之．“例如，服务提供商可能会对提供给他们的软件进行修饰或添加。如果有人做出改变，就会产生多方面的连锁反应。”

McDermott提供了一个禁止用户更改硬件/软件模块的示例。“想想FCC有关WiFi路由器的规定。开源是很好的，但是你必须证明这个盒子符合无线电规范。如果你能够操纵软件，违反频谱分配或功率水平，联邦通信委员会就会担心。在不同的系统之间创建防火墙，以便您可以修改一些软件，但可以避免意想不到的后果。你必须确保你不会强迫系统进入异常行为，使其超出规范或消耗超过合理的能量。”

对更低功耗的渴望正在推动许多系统公司开发自己的物联网边缘设备。米勒说:“人们已经发现，通过定制芯片，而不是在电路板层面上拼装，可以获得更低的功率数字。”“我们看到电力减少了70%。这与您不使用或不需要的特性有很大关系，因为它们增加了复杂性和功耗。这是硬件添加软件不使用的功能的另一个例子，所以它没有任何好处，你可能会为这些功能付出功耗和成本。”

其他问题
对于服务器和网络来说，电力问题和权衡是非常不同的。温加德说:“他们往往会拆掉整个董事会。“所以芯片级的电源管理并不重要。虽然他们做功率循环匹配他们的负载，他们这样做在一个更粗糙的谷物。服务器对帮助他们最小化动态功率的技术很感兴趣。他们想要达到一定的吞吐量，所以频率是理想的控制。他们想要尽可能接近该频率的最佳能量，这意味着最低的电压可以让他们实现它。电压取决于温度，也取决于晶圆上是快晶体管还是慢晶体管。”

在这种情况下，车载传感器可以让你更接近最佳状态。

移动和汽车行业都有混合的担忧。有些部分看起来更像物联网，其他部分更像服务器。米勒说:“虽然功率对它们来说很重要，但优化过程却非常不同。”“移动设计担心泄漏，但他们也担心动态功率和提供交互式用户体验，同时保持舒适的热包。在为手机设计应用处理器时，他们要平衡性能、泄漏、动态消耗和热管理。”

汽车行业也是如此。“轮胎内部运行的轮胎压力监测系统传感器没有机会从电池获得电力，”米勒说。“该设备必须在一次充电后持续使用轮胎的寿命。它们看起来很像物联网设备。在另一个极端，安装在保险杠上的接近传感器将有一个非常不同的电源管理方法，因为它们在特定的时间是打开的，比如在倒车的时候，它们可以利用主电池。”

汽车的许多部件都是按这种方式模块化的。该公司应用工程总监Benoit de Lescure表示:“闲置电源对模块化部件来说不是问题，因为设备要么处于活动状态，要么处于关闭状态。ArterisIP．“一个例子是复杂的SoC来实现汽车的自动驾驶。当它处于活动状态时，你可以确定SoC上的所有硅都将处于活动状态。图像将以特定的速率发送，没有空闲时间可以节省电量。开发人员将尝试在算法级别上工作，以尽量减少外部存储器之间的数据传输，或者通过添加缓存来减少花在外部存储器上的时间动态随机存取记忆体．这样可以节省电力。”

随着汽车中电子设备的增多，电力也越来越受到人们的关注。Imagination公司的福雷斯特表示:“虽然电池是通过交流发电机充电的，但现在汽车中添加了大量额外的电子设备。“信息娱乐系统、数字仪表板和ADAS系统正变得越来越普遍，总体而言，你所能获得的能量是有限的。因此，SoC效率仍将是半导体设计人员的首要考虑因素。”

这并不是唯一的额外考虑。Moortec公司的Crosher指出:“汽车可以有更高的工作温度。“坚固、更高的耐温设计需要支持不同汽车等级(0级、1级等)对结温的不同期望。如今，使用非常先进节点的代工厂现在正在为汽车客户提供支持。这与更高的工作温度、更高的跟踪密度和更高的电流密度有关，进而导致更高的自发热。”

对权力的担忧导致了一些有趣的发展。“多比特人字拖是一个有趣的例子，”Knoth说。“它最初出现在手机领域，现在也出现在其他非常低功耗的设计中。通过组合多个人字拖，可以减少上的负载时钟网络这降低了所需的缓冲面积和数量。它贯穿整个设计流程，包括合成，以及地点和路线。如果你使用单独的点工具或部件进行设计，你将永远无法利用这一点。整个生态系统必须整合起来，才能获得充分的效益。”

信任的软件
关于电力管理应该在多大程度上依赖软件的争论越来越多。忘记关闭某些功能可能会浪费通过优化节省的所有电力。

ArterisIP的de Lescure表示:“软件开发人员正在努力使用硬件团队提供的所有功能。“这适用于芯片经常变化的行业，比如移动行业。他们开发新芯片的速度很快，几乎没有时间来优化硬件/软件界面，超出标准所定义的范围。如果你着眼于像汽车这样的市场，情况就有点不同了，在这个市场中，芯片开发的速度较慢，而且他们在安全方面有额外的法规和限制。在这个市场上，你可以预期人们会花更多时间优化软件，利用硬件功能来节省电力。”

开发软件时，通常假设以后可以打补丁。麦克德莫特说:“它不像经典的嵌入式，你设计和调试，然后交付数百万个，你永远不会再碰它们。”“通过现在设备的连接，你有能力修补、更新和反馈现实世界的体验。军事谚语是这样说的:任何计划在与敌人初次接触后都无法存活。当你建立了一个计划，你认为你要部署一些东西，之前没有人在那种环境下测试过这个设备。在部署过程中，您将了解环境和正在发生的事情。”

在一些引人注目的情况下，这种能力已被证明是至关重要的。米勒说:“它可以让你发现问题，比如设备的过早老化，并阻止它产生破坏行为。”“iPhone就是一个很好的例子。通过降低时钟，他们防止了整个系统的停电，这将导致它重新启动。他们有能力在软件中做到这一点，并且可以通过空中发送补丁来改变系统的运行方式，这是件好事。”

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