条条道路通节能节能的挑战与机遇在何处?

spotlight关注焦点Spotlight栏目编辑王莹条条道路通节能个实例是半导体的性能、温度和电源电压的关系。我们的设计出发点是有效工作状态。半节能的挑战与机遇在何处?导体产品的性能各不相同,其中大部分是CMOS电路,其性能往往要高于你的设计目Approaches to Decrease Power Consumption标。如果你能够适应各种产品的性能特性,就能实现产品的整体性能优化。■迎九本刊记者·在芯片层面上,也可以采用新的设计哲学。当前设计方面的一个挑战是,如何突破许摘要:本文介绍了模拟IC、处理器、存储器、FPGA、EDA工多工程师在思路上的线性化框架。工程师们具,电池/电池材料等方面的低功耗技术的设计考虑和技必须把思路延伸到机箱之外NS现在具有可术进展以在芯片级完成这一工作的产品,即电源电关键词:低功耗;电源管理:数据中心;SoC;燃电池;DMFC压可自适应缩放的产品。但我们还需要在更高层次上的产品,此时软件就将发挥作用摩尔定律表明,每散热问题,这与电源转换效率有关。当24个月(后来业界修正接近理论极限时,设计的回报就很低。由于能为18个月)C上可容纳量的转换必然伴随着发热,架构设计师和工程的晶体管数量增加一师研究我们消耗了多少能量,但是那部分能量倍,性能也将提升一又该如何去除?如果你的应用空间固定,而冷倍。2000年底网络泡沫却的能力有限,即解决问题的方法受到了约破灭后,人们最为关心束,因此,这是一个很大的挑战,对于那些要众多公司在 Electronic Summi20电源讨论会上发成本,其次是功耗和性设法利用现有基础设施的人们来说尤为如此。(自左至右的代表来自:安森美、 Intersil、 Mento能。这两年,随着便携微量节能。实际上,微量节能也能带来Qimonda、Ns和 Cadence)式产品的异军突起和全巨大的影响,因为其数量会随着用户数量增世界节能环保的要求,降低功耗成为了业界加而成倍增长。如果你能在保证性能的情况普遍关注的大事下挤出一点功耗来,无数的功耗累积起来效近日,笔者采访了众多公司,看到他们非果巨大。据美国能源部的一个统计表明,如果常重视节能和环保。西谚说“条条大道通罗美国的毎一户家庭把一只灯泡用CH(节能荧马”,由此引申到节能环保,我们可以通过很光灯)一其效率是白炽灯的两倍一来取代的多方法来实现节能话,节约下来的能量将足以供300万户家庭使用。这个例子说明,设计工程师们面临的挑战图1世界电源市场模拟C不仅是那些巨大的挑战一如何用更低的功耗获节能的设计方法学得更高的性能,也包括如何实现环保等。a tio n a l便携式电源转换拓扑结构经验miconductor公司(以下Intersil公司负责便携式业务的高级产品简称NS)全球伙伴关系市场行销经理 Andrew Baker说该公司把降低市场行销经理 Rick zarn电源划分成为两个部分从多个角度谈了看法。中国煤化工理我们有时从系统架CNMHG构层面来实现节能。2001200820020102011设计者需要把这两部分有机地组合起来,74子量品界20086Www.eepw.com.cnspotlight关注焦点Spotlight栏目编辑王莹以实现优化的功耗特性Actel公司的总裁兼 CEO John east认为,从系统设计的角度来看,架构及其划分节电是件很复杂的事,需要从上百个角度去很重要,设计人员需要确定哪些功能是必需考虑解决问题,例如噪声、散热、工艺、材料的。例如,手机在大部分时间里是处于待机状封装等问题态的,因此可以把大部分与RF部分无关的电Actel公司作为FPGA芯片解决方案厂商路关闭。你可以在架构上考虑电能是如何从认为低功耗往往不仅是一个芯片低功耗,更涉电池转换为电路电源的,线性的还是开关式及到一整套的解决方案。以 Actel为例,采用的,软件必须管理好这些。软件是确保何时应的技术是 Flash fPga,产品有两类: IGLOO该按照何种模式工作的关键,有的软件工程是FPGA家族中超低的功耗产品,静态功耗达师认为它就是宇宙的中心,在大多数情况下到005mW/百万门;加入了智能系统和功率的确是这样。软件需要针对实时管理操作进管理的 Fusion可編程系统芯片是第二个产品行优化,考虑到全功耗、低功耗、休眠、深度线;除此之外,还有功率优化的设计工具休眠,这些就是人们目前所能想到的处理功 Libero ide、低功耗的 ARM COrtex-Ml核,智耗问题的系统解决方案。我们还应把系统划能功率I,以及号称业界最小的FPGA封装。分为多个微处理器,它们甚至可以在同一片制程提到40nm芯片上,让他们能以不同的时钟速度工作。这Altera发布业界首款40 nm fPga和也是一种优化系统性能的方法。HardCopy ASIC,命名为 Stratix IV fPga在硬件方面,你可以有多种选择。市场上和 HardCopy IV ASIC都提供收发器,在密有多家厂商、多种架枃的解决方案。例如,开度、性能和低功耗上遥遥领先。尽管4On时关式稳压器是手持式装置中常见的一种用于漏电流是个挑战,但是由于采用了应变硅技提高效率的手段,但市场上也存在一些线性术,使功耗大大降低, Stratix Iv预计比上的、成本更低的解决方案,有时它们更优化。代产品功耗降低了1/2。“原来我们计划08年因此架枃的选择对于效率极为关键。电源管推出45nm制程”, Altera资深市场副总裁理方面,你可以采用多种模式。开关稳压器有 Jordan s. Plosky说,“由于代工厂TSMC的两种模式:PwM(脉宽调制)和PFM(功率因工艺进步,今年初TSMC已把工艺提高到子模块),PWM将为满负载条件服务,而PFM4nm”。与此同时, Altera还发布了 Quartusctel CEO John East:将用于轻负载条件。甚至还可以有第三种模Ⅱ软件80,支持其40 nm fPga/结构化节能可从上百个角度考式,如LDO低压降)。事实上低压降的电源ASIC,延续了该公司在设计软件性能和效能效率极高,可避免开关稳压器在开关中消耗上的领先优势的能量。例如,如果你的系统中已经有DC不过,等待新产品需要一些耐心。 AlteraDC变换器了,你还可以LDO作为第二级。例计划于2008年第4季度提供 StratixⅣV器件系如,你可能希望系统的内存以1.8V工作,你列第一个型号的工程样片, HardCopy IV现在已经有了1.8V的电压轨,而现在又需要ASIC将于2009年第三季度开始接受客户投为低压的内核供电,于是就可以用一个LDO片来为其提供一个1.2V的电压。这就是一个将加入旧核两种拓扑结构组合起来,以达到优化的例子。Xilinx公司 CEO Wim roelandts说Altera资深市场副总裁FPGAcyH中国煤化工核和软核加入CNMH该。因为PP核Jordan S Plosky一整套方案实现节能改进性能、提高速度且降低功耗。软P和硬76子量品界「20086Www.eepw.com.cnspotlight关注焦点Spotlight栏目编辑王莹IP是相辅相成的,当软件的效率没有足够高,未来不能升级扩展的系统,会阻止存储器方用硬件实现;硬件效率虽高,但成本高一些。面的人员运用可以降低功耗包络的功能和部因此选择硬核还是软核需要综合考虑成本、件。不久前,我们还处在μm时代,现在则达效率等问题。到了nm时代,而pm节点也并非遥不可及例如,08年3月底 Xilinx推出了 Virtex-因此,可扩展性极为重要。目前, Qimonda5的第四个平台一FⅩT家族,是基于正在从基于沟槽的技术转向混合型的技术。PowerPC440处理器模块、高速 RocketIo Qimonda的可扩展性已经超越了50nm和GTX收发器和专用 XtremeDSP处理能力。尽40nm节点,达到了约30mm的节点。这种可Xilinx CEo wim管inx也有 Microblaze软P核,但是其产扩展性,使得 Qimonda能够开发出核心平台品的有力补充保证DRAM的低功耗特性。由于具有该平台,elanQimonda现在能把产品放入各种具有音/视存储器频功能的产品中。DRAM节能与可扩展性人们可能会觉得存储器与功耗方面的EDA工具挑战并无多大关系”, Qimonda(奇梦达)公司产业合作促SoC功耗巨大降低的高级市场行销总监 Tom Til认为,“但存储系统级设备是能耗的最终体现者。但是器与功能间的关联性取决于所用的平台。现设计时需要从多个层次考虑。 Cadence公司在IT业大量采用了服务器。有文献表明,低功耗市场行销总监 Mohit bhatnagar认为功DRAM的功耗在服务器群(arm)的功耗中的耗需要从4个层次设计:服务器中心和绿色电比重为10%~40%,这里可用一个平均值25%网;系统和软件;半导体技术;SoC设计。来表达。关于数据中心的运行成本,2005年其中SoC是重中之重。因为每在服务器有一个数据,全球的服务器群在电能方面的上节约W,如果考察一下ACDC、DCDC支出达到了72亿美元,而其中DRAM所占的变换中出现的损耗、冷却,则总的系统能量的5%的功耗,就足以证明其与这个行业的关节约可以达到273W的水平。因此,SoC可联性。设计者首先考虑的问题是如何安排以带来将近3倍的功耗降低。DRAM在服务器中所占的空间面积,但如果多电源电压、关机功能、电源电压缩放等他能设法利用可以轻松获得的技术—这实际方面可以带来10~20倍的功耗降低。那么它是上是个设计中的选择问题一将功耗降低20%,否会带来一些不利影响?我们考察系统架构到就可以节省约3.5亿美元的成本。考虑到IT市RTL级的SoC设计,它可以揭示系统的影响场的繁荣景象,就不难想象电力方面的成本但在2~4年前,所采用的设计流程方法影响是支出在过去3年中出现了多大幅度的增长。很强的。所以设计者要问的一个基本问题是从DRAM的角度来看,目标就是设法设我们如何获得所需的时序、性能和功耗,而不计出标准的低功耗DRAM,并在其中集成部至于降低产出率和延长上市时间?如何避免不分自刷新等功能。这种核心技术和集成的功必要的风险。好消息是,多种类型的公司们联能集将让DRAM从以待机模式为中心的设计手起来了。 Cadence就发起组织了 Power转移到以有效工作模式为中心的设计文化上 Forward Initiative(PF)联盟,它是由P公司、来这再次说明这既不是技术,也不是设计,EVT中国煤化工公司,IC用而是设计中的取向问题。CNMHG诉我们,我们存储器的可扩展性也是非常重要的。在可以在SoC设计中实现巨大的功耗降低。例78子量品界20086www.eepw.com.cnspotlight关注焦点Spotlight栏目编辑王莹如,联盟中的一家日本公司发现通过附加3种和标准C中建模后,还要在RTL中建模产出率的改进措施,功耗可以降低40%。NXP、第三,我们的机会是如何利用这些模型来Freescale、NC、TSMC等公司都是该联盟的作为“黄金”模型,进行测试平台的校验。如成员,而且设计出了先进的电源部件。我们是今在市场上进行的验证方法学方面的进展,否能获得真正绿色的电子产品、真正的SoC?都采用了某种“黄金”模型,而这些模型是系其功耗降低30%,总的系统成本可以降低统分析方面的需求推动下生成的40%-50%?我们的回答是,完全可以克服相应的风险,并实现巨大的功耗降低。处理器SoC功耗设计的黄金模型DSP算法和架构的优化在SoC系统设计方面,现在还有一些人们由于动态功耗的公式是p=Cvf,低功耗几乎未涉足的领域,而这些领域将对降低功耗是否意味着低电压既可?安森美高级听力产生最大的推动作用。幸运的是,人们现在已音频解决方案总监 Michel De Mey认为功耗经拥有大量针对这一领域的设计工具。 Mentor的高低不仅取决于你是否用10V还是1.2V,Graphics的EsSL(电子系统级}HDL硬件描述更取决于算法的速度。如果你采用了运算密语言)门总经理 Glenn Perry介绍了系统级设集的算法,使内核达到50%-60%的负载,可计需要考虑的方方面面。以让性能提高3倍;如果你对内核进行20%的系统架构方面的改进将带来巨大的好处,加载,则性能也可以提高2倍。不过在EDA界,人们只有在设计的较晚阶段才另外,功耗也取决于整体架构。例如为耳机使用功耗仿真工具,如门级和物理实现级。那等靠极少的电池供电的微型音频用低功耗DSP,为何不在系统级进行这些工作?原因主要包括:在设计滤波时,你可以在时域或频域滤波。如果第一,这样做所花费的成夲和相应的折你能在频域实现滤波,就可以将功耗降低10倍。中。要实现这一点,就需要一个运行速度极快这可不是从哪里挤出20%来,而是从体系架构上的仿真平台,足以运行所需的软件,因为我们进行创新,从而达到如此之高的比例。也提到了软件、硬件和系统设计的影响和相按此原则,安森美的第二代DS互关系。Belasigna300与前代产品 Belasigna250比较图2安森美优化设计后第二,关系到模型的精度。如果你不能精(如图2),两种产品的硬件都执行同样的功能的 Bela Signa3o0DsP确地预测其功耗特性,则世界上最快的仿真区别在于分属不同的技术节点,采用了不同功耗比前代产品大大降也没有多大裨益。你无法或者很难知道你的的DSP架构,另外,安森美还优化了内存技低器件的功耗,除非具体地将其实现,因为功耗术,降低了内存的电压,而且让存储变得更为与许多实际因素有关。近年分布化一些;采用了新的模拟和数字IP、新来,技术也取得了巨大进展,的设计方法学、以及新的EDA工具可以提供 transaction(事务)层采用可配置的特殊应用处理器次直至ESL层次的精确模型。通常认为,多核设计与单核的性能优化有些工具可以帮助用户提取二者协同作用,才能带来处理器能耗大幅降非常精确的模型,在门级和低(图3)。因此 Tensilica多年来一直倡导在ranscaction级可以达到SoC中进行可配置多核设计,并且致力于单5%-10%以内。这是一个巨大核中国煤化卫兼 CEO Chris的进展。没有人愿意对其设HCNMHG核功耗是其竞处理就力wORc宽动态围压难AEG声音但波抵消计两次建模,一旦在 SystemC争对手的1/380子量品界「20086Www.eepw.com.cnspotlight关注焦点Spotlight栏目编辑王莹戏机、数码相机等。TI的 CEO Peng K.Lim说在燃料电池的出性能应用方面会分两步吾走:首先,手持产品多个小精任耗中既可以用锂电池也可以用燃料电池替理上限应用基并行代;下一步,市场上以6制行为考出现单一的燃料电池 Polyfue公司 CEO JimLrh wElD Peer hne 18 700e供电方案。目前,韩Baom图3特殊应用处理器对Tesilica采取的具体方法是:国三星电子已经在手改进性能和降低功耗帮·优化指令。 Tensilica每个优化指令效率机及附件方面与MTI公司合作, Gillette助最大相当于普通的5~50个RISC指令;Duracell公司开始了全球分销工作。处理器核数量增加,每个核是“特殊应MTI采用直接甲醇燃料电池(DMFC)系用处理器”,其尺寸更小,每个小核完成专门统, Mobion技术的特点是采用100%甲醇作的功能,例如有的做无线通信、有的管协议,为燃料,因此用电时间更长。其燃料电池工作有的处理视频,有的执行音频……;在整体在0~40℃,非常适合消费类电子市场。SoC设计时,如果需要一个主处理控制功能俗话说“巧妇难为无米之炊”,为MT提主处理控制核可以是 Tensile的,也可以是其供DMFC技术的是 Polyfuel公司。除了手持它公司的,例如ARM或MIPS等公司的。应用, Polyfuel更看好燃料电池在笔记本电脑除此之外,在处理器核接口方面,上的应用前景。 CEO Jim balcom说,预计今Tensilca的 Xtensa处理器核有更多的指定內年年底之前笔记本型的参考设计和样机就要存( memory-mapped)/O和直接连接选择。出来,之后的12个月实现产品化。因此2010建模和模拟工具 Xenergy Energy Explorer在年前后,笔记本电脑就会用上燃料电池结构上进行了突破,融合了建模和分析,软件开发和调试等参考文献Chris rowen博土1.山水,走马游硅谷,观花看技术,电子Tensilica公司的总战燃料电池及材料品世界,2008,2兼CEO2.迎九.重视P和软件,步伐更加激进燃料电池即将在便携式产品中出现电子产品世界,2008,2.随着每个便携式电子产品的功能越来越3.王莹,45nm机遇.挑战和新的协作模多,因此耗电量也越来越大。普通电池容量已型电子产品世界,200712经成为捉襟见肘,同时带着电池充电器和导线也很麻烦。此时,燃料电池浮出水面,它的10续航时间更长,充电时用一个燃料筒定期补10充甲醇既可。目前燃料电池正在着手商品化,并有望于2009年在手机等手持产品中出现在燃料电池研制方面,MT和杜邦公司中国煤化工Peng K Lim等非常活跃。MT专利的 Mobion技术目标应CNMHMT公司CEO用是手持式产品,例如手机、MP3播放器、游图4越来越多的人使用便携产品,便携电源用量上升82子量品界「200.6www.eepw.com.cn