現(xiàn)在很難在某一次會議上聽不到或者看不到關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和可穿戴式計算的討論。但是，請讀下去。當人們還在爭論IoT設(shè)備5年內(nèi)是會達到200億規(guī)模還是40億規(guī)模的時候，一個意外的挑戰(zhàn)已經(jīng)浮出水面。人們都認為市場上最新的半導體技術(shù)也是您下一設(shè)計最好的工藝技術(shù)。這種想法促進了IoT的雪崩式發(fā)展。

最近在硅谷舉行的TSMC輔助支持系統(tǒng)論壇上清楚的闡述了這種發(fā)展。隨著20、16和10 nm工藝的發(fā)展，最大的代工線負責人宣稱，在老工藝尺寸基礎(chǔ)上，不到5個低功耗新工藝代就回到了180 nm。為什么——為什么這么多?在小系統(tǒng)設(shè)計中，這些問題構(gòu)成了新現(xiàn)實。

對電源的其他分析

并不是IoT發(fā)起了低功耗工作模式。多年以來，超低功耗微控制器領(lǐng)域就有此類產(chǎn)品。但是，大肆的宣傳使得業(yè)界特別關(guān)注低功耗問題的兩個方面：在很多IoT和可穿戴節(jié)點上以極低功耗可靠的工作，還有非常低的占空比。

極低功耗需求的來源不同尋常：能量收集。一些IoT設(shè)計人員并沒有費勁的將電池裝到極小的封裝中或者難以企及的空間里，而是選擇從節(jié)點環(huán)境中收集能量。他們使用了小型光電池，從周圍光中收集能量，采用熱電變換器轉(zhuǎn)換浪費的熱量，使用慣性發(fā)電機把運動轉(zhuǎn)換為電流，還有一些其他手段。一般的結(jié)果是可靠的少量電源——至少結(jié)合了小的可充電電池和超級電容。

如果您能夠?qū)⒐?jié)點耗電保持在一定的功率預算范圍內(nèi)，從很實用的熱電轉(zhuǎn)換器的幾百μW到光線暗淡的室內(nèi)微小光電池的幾個μW，那么這種策略避免了換電池等問題。

作為對比，較低的占空比并不是約束而是機遇。一般而言，距離數(shù)據(jù)中心越遠，節(jié)點的大部分空閑的時間就越長。數(shù)據(jù)中心的目標應該是不低于80%的利用率。但是在今年的熱點芯片大會上，ARM? CTO Mike Muller估計CPU瀏覽網(wǎng)頁的平均工作時間是7%，MP3回放任務大約是3%。距離核心越遠，IoT節(jié)點對空氣溫度進行周期性采樣時，可能每小時只有幾個毫秒在工作，占總時間的百萬分之一。

很明顯，低占空比應該是降低能耗的好機會。問題是怎么辦。要解決這一問題，我們得回到工藝技術(shù)和超低功耗問題上。

研究占空比

在低占空比系統(tǒng)中，降低能耗(從而延長電池使用壽命)最高效的策略與您的老奶奶處理電費的策略一樣：不使用時關(guān)掉它。但是這種好建議的背后卻涉及到詳細的規(guī)劃和某些困難的決定。

關(guān)掉電源意味著將狀態(tài)存儲到非易失存儲器中，除非您設(shè)計的節(jié)點不需要持續(xù)的狀態(tài)信息就能夠工作。但是保存狀態(tài)需要花費時間和能耗，寫入閃存會需要很大的突發(fā)能耗，這也要有大功率能源。因此，這并不總是可行的——特別是空閑時間很短或者不可預測的情形。在這些情形中，您可能需要保持數(shù)據(jù)的低功耗模式，包括在狀態(tài)機中和在存儲器中。這也是老節(jié)點及其大規(guī)模晶體管再次被關(guān)注的原因。

這些大規(guī)模晶體管內(nèi)在的一個特性是低泄漏電流。如果您的服務器一直以fMAX運行，那么低泄漏并不是很重要，這是因為高速和低動態(tài)功耗并不是老工藝關(guān)注的重點。但是，如果您設(shè)計低占空比系統(tǒng)，大部分時間處于數(shù)據(jù)保持模式，您不得不延長小電池的使用時間，與動態(tài)功耗或者最初的性能相比，您更關(guān)心靜態(tài)泄漏。

這一事實解釋了為什么有太多的工藝選擇。在180 nm，泄漏幾乎沒有，但是動態(tài)功耗相對較高，而fMAX較低。在28 nm，泄漏比較起來非常高——即使是TSMC針對28 ULP設(shè)計的改進型低泄漏晶體管，但是動態(tài)功耗和速度要好很多。您可以看一下您規(guī)劃的占空比，選擇您的工藝技術(shù)。

當然，并不會非常簡單。在體系結(jié)構(gòu)和實施的每一階段，都會有一些因素影響占空比。例如，您可以禁止中斷狀態(tài)機或者ARM Cortex?-M0等極低功耗MCU，只中斷主CPU，以處理觸發(fā)了重要代碼的關(guān)鍵事件。您可以選擇無線網(wǎng)絡，支持節(jié)點在大部分時間進入休眠狀態(tài)，而不讓它一直處于準備響應某一消息的狀態(tài)。您可以使用硬件加速器來縮短占空比的工作部分。還可以把上游任務放到無線集線器或者云端。

相反，您也可以重新調(diào)整占空比。例如，可以放慢時鐘以節(jié)省功耗，讓任務非常慢的運行，從而不會進入休眠模式?；蛘撸梢赃x擇輪詢節(jié)點，就像帶著安眠藥的夜班護士，讓節(jié)點一直保持工作。

總之，要找到動態(tài)功耗、運行和空閑以及關(guān)斷時間、工藝技術(shù)的最佳組合會是一件很難的事情。對于ARM的big.LITTLE多核CPU配置等方法，支持您在功能強大的內(nèi)核中迅速運行較難的線程，然后對于后臺任務，切換到較慢的低功耗內(nèi)核。在某些點，您會有很多選擇。

不論占空比還是處理器怎樣安排，有一種策略具有明顯的優(yōu)勢。對于靜態(tài)和動態(tài)功耗，電壓是公式中的二次項。如果您降低Vdd，fMAX就會下降，功耗也是如此。這一點解釋了TSMC超低功耗產(chǎn)品的重要特性：其特性是能夠工作在非常低的電壓下，實際上，接近閾值。

近閾值挑戰(zhàn)

據(jù)TSMC研發(fā)副總裁Cliff Hou，在0.7-0.5V范圍內(nèi)Vdd的準備過程需要很多工作。公司關(guān)注的是從高閾值晶體管中獲得最佳性能。但是也要處理其他兩個主要問題；時序變化和SRAM拓撲。

接近閾值工作的MOSFET驅(qū)動負載的時間要長一些。這一簡單的物理現(xiàn)象將大部分處理器的時鐘頻率限制在1 MHz附近。但是，Hou指出還有另一個問題。他解釋說，“接近閾值時，波形是非線性的。對此，需要調(diào)整靜態(tài)時序分析，這樣，芯片設(shè)計人員不用改變他們的方法?！?br />
Hou說，對時序進行了很大的改動后，自然需要檢查所有IP在接近閾值電平時能否正常工作。他報告說，“一般而言，檢查進行的比較順利。但是，我們注意到，某些單元——那些有三至四級的，使用了傳輸邏輯門的，在接近0.5V時會出現(xiàn)問題?！?br />
SRAM有不同的問題：不同的電壓電平需要不同的單元設(shè)計。一般具有讀寫輔助功能的SRAM單元在較高電壓時能夠很好的工作。但是接近0.5V時，則需要8或者10晶體管單元。低于0.5V時，Hou建議基于邏輯的存儲器單元。

走向極端

如果您決定降低Vdd，那么不用停在晶體管的閾值電壓上。在亞閾值領(lǐng)域有很多邏輯設(shè)計，甚至是模擬設(shè)計。實際上，晶體管一直關(guān)斷，您的電路通過調(diào)制泄漏電流來工作。自然的，這些邏輯能效非常高，但是非常慢。在TSMC論壇上，ARM的Muller認為這并不簡單，在IoT環(huán)境中，重要的是在亞閾值工作。

Muller介紹了TSMC在未指定40 nm工藝上開發(fā)的測試芯片ARM，針對低電壓進行了優(yōu)化。芯片含有Cortex-A5和Cortex-M0內(nèi)核，以及很多獨立電源域，支持工程師針對各種近閾值和亞閾值策略進行試驗，可以對各種處理器的各個部分進行不同的組合。

CTO對設(shè)計這類芯片提出了警告。他提醒說，您需要仔細的設(shè)計電平轉(zhuǎn)換器，它承載了電源域和功率邏輯門開關(guān)之間的信號。這些器件必須在很寬的電壓范圍內(nèi)高效的工作，電壓范圍非常寬以至于超出了邏輯晶體管的閾值范圍。

在體系結(jié)構(gòu)級，Muller指出關(guān)斷內(nèi)核與使其停留在數(shù)據(jù)保持模式有很大的不同。他說，80%的靜態(tài)功耗來自SRAM。因此，減少工作周期之間必須要保持的有效狀態(tài)非常重要。保持狀態(tài)要消耗能量。

Muller說，使用傳統(tǒng)的時序收斂方法也很難來管理時序。目前的時序工具假設(shè)延時主要來自RC。而這里時序的主要因素是電壓柵極延時。Muller遺憾的指出，當您嘗試實現(xiàn)時序收斂時，工具會把您帶到錯誤的方向上。

有了體系結(jié)構(gòu)后，下一個問題是工作點。Muller針對這一主題提供了信息非常豐富的一幅圖。Muller解釋說，把Vdd降到閾值以下后，功耗——動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗，都下降了。在200 mV有最小功耗點，在此之下，電路會停止工作。如果您的電源受到高能耗器件的限制，那么這是最佳工作點。

但是隨著功耗的下降，速度也在變慢。任務執(zhí)行的時間越長，執(zhí)行期間的靜態(tài)功耗就越大。因此，您降低電壓后，每一任務的總能耗并不會一直降低——實際上，有一個明顯的轉(zhuǎn)換點，電壓低于這一點之后，每一任務的總能耗開始上升。在Muller的數(shù)據(jù)中，每一任務能耗達到最小的轉(zhuǎn)換點是在400 mV。

Muller注意到，設(shè)計人員看到的曲線有很好的選擇范圍。如果功耗最重要，CPU可以工作在1 kHz，200 mV，功耗大約只有1 μW。如果目標是固定任務實現(xiàn)最低能耗，這一試驗的最優(yōu)點是在400 mV，100 kHz工作，功耗大約是100 μW。Muller總結(jié)說，“在600 mV近閾值區(qū)域，您不必要求功耗降低一半，設(shè)計會很容易進行?！?/p>

然而，重新進行設(shè)計并選擇相應的電壓還不夠。在亞閾值區(qū)域，工藝變化和老化效應導致的閾值電壓變化會非常嚴重。Muller介紹了亞閾值電路對于Vth非常敏感，在低占空比的低功耗電路中，偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）導致的微小漂移也會在很短的時間內(nèi)造成電路失效。因此，設(shè)計人員必須仔細考慮其電路對各種變化的承受能力。

IoT節(jié)點對高能效的需求讓我們費盡周折，從研究低占空比到深入研究亞閾值晶體管行為。現(xiàn)在，在成熟市場上，這些已經(jīng)是常用的設(shè)計方法，其他的則留給博士們?nèi)パ芯俊o生產(chǎn)線企業(yè)競相進入可能空有承諾的IoT，所有這些選擇具有連續(xù)性——完全不同的尺寸，以及多種工藝，設(shè)計人員可以從中選擇他們的工作點。芯片設(shè)計人員的自由之處是能夠向系統(tǒng)設(shè)計人員提出自己的要求，他們所面臨的芯片規(guī)范與之前的大不相同，好在系統(tǒng)級還有機會。從長遠看，近閾值和亞閾值方法仍然是IoT的主要方法。也是設(shè)計主流。