條條道路通節(jié)能 節(jié)能的挑戰(zhàn)與機(jī)遇在何處

EDA工具

　　產(chǎn)業(yè)合作促SoC功耗巨大降低

　　系統(tǒng)級(jí)設(shè)備是能耗的最終體現(xiàn)者。但是設(shè)計(jì)時(shí)需要從多個(gè)層次考慮。Cadence公司低功耗市場(chǎng)行銷總監(jiān)Mohit Bhatnagar認(rèn)為功耗需要從4個(gè)層次設(shè)計(jì)：服務(wù)器中心和綠色電網(wǎng)；系統(tǒng)和軟件；半導(dǎo)體技術(shù)；SoC設(shè)計(jì)。

　　其中SoC是重中之重。因?yàn)槊吭诜?wù)器上節(jié)約1W，如果考察一下AC-DC、DC-DC變換中出現(xiàn)的損耗、冷卻，則總的系統(tǒng)能量的節(jié)約可以達(dá)到2.73W的水平。因此，SoC可以帶來(lái)將近3倍的功耗降低。

　　多電源電壓、關(guān)機(jī)功能、電源電壓縮放等方面可以帶來(lái)10～20倍的功耗降低。那么它是否會(huì)帶來(lái)一些不利影響？我們考察系統(tǒng)架構(gòu)到RTL級(jí)的SoC設(shè)計(jì)，它可以揭示系統(tǒng)的影響。但在2～4年前，所采用的設(shè)計(jì)流程方法影響是很強(qiáng)的。所以設(shè)計(jì)者要問(wèn)的一個(gè)基本問(wèn)題是，我們?nèi)绾潍@得所需的時(shí)序、性能和功耗，而不至于降低產(chǎn)出率和延長(zhǎng)上市時(shí)間？如何避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)。好消息是，多種類型的公司們聯(lián)手起來(lái)了。Cadence就發(fā)起組織了Power Forward Initiative(PFI)聯(lián)盟，它是由IP公司、EDA工具廠商、Foundry(代工廠)公司、IC用戶組成的聯(lián)盟。許多成功案例告訴我們，我們可以在SoC設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)巨大的功耗降低。例如，聯(lián)盟中的一家日本公司發(fā)現(xiàn)通過(guò)附加3種產(chǎn)出率的改進(jìn)措施，功耗可以降低40%。NXP、Freescale、NEC、TSMC等公司都是該聯(lián)盟的成員，而且設(shè)計(jì)出了先進(jìn)的電源部件。我們是否能獲得真正綠色的電子產(chǎn)品、真正的SoC？其功耗降低30%，總的系統(tǒng)成本可以降低40%~50%？我們的回答是，完全可以克服相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)現(xiàn)巨大的功耗降低。
　　
　　SoC功耗設(shè)計(jì)的黃金模型

　　在SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)在還有一些人們幾乎未涉足的領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域?qū)?duì)降低功耗產(chǎn)生最大的推動(dòng)作用。幸運(yùn)的是，人們現(xiàn)在已經(jīng)擁有大量針對(duì)這一領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工具。Mentor Graphics的ESL(電子系統(tǒng)級(jí))-HDL(硬件描述語(yǔ)言)部門總經(jīng)理Glenn Perry介紹了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)需要考慮的方方面面。

　　系統(tǒng)架構(gòu)方面的改進(jìn)將帶來(lái)巨大的好處，不過(guò)在EDA界，人們只有在設(shè)計(jì)的較晚階段才使用功耗仿真工具，如門級(jí)和物理實(shí)現(xiàn)級(jí)。那為何不在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行這些工作？原因主要包括：

　　第一， 這樣做所花費(fèi)的成本和相應(yīng)的折中。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就需要一個(gè)運(yùn)行速度極快的仿真平臺(tái)，足以運(yùn)行所需的軟件，因?yàn)槲覀円蔡岬搅塑浖?、硬件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響和相互關(guān)系。

　　第二， 關(guān)系到模型的精度。如果你不能精確地預(yù)測(cè)其功耗特性，則世界上最快的仿真也沒(méi)有多大裨益。你無(wú)法或者很難知道你的器件的功耗，除非具體地將其實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣呐c許多實(shí)際因素有關(guān)。近年來(lái)，技術(shù)也取得了巨大進(jìn)展，可以提供transaction(事務(wù))層次直至ESL層次的精確模型。有些工具可以幫助用戶提取非常精確的模型，在門級(jí)和transcaction級(jí)可以達(dá)到5%~10%以內(nèi)。這是一個(gè)巨大的進(jìn)展。沒(méi)有人愿意對(duì)其設(shè)計(jì)兩次建模，一旦在SystemC和標(biāo)準(zhǔn)C中建模后，還要在RTL中建模。

　　第三， 我們的機(jī)會(huì)是如何利用這些模型來(lái)作為“黃金”模型，進(jìn)行測(cè)試平臺(tái)的校驗(yàn)。如今在市場(chǎng)上進(jìn)行的驗(yàn)證方法學(xué)方面的進(jìn)展，都采用了某種“黃金”模型，而這些模型是系統(tǒng)分析方面的需求推動(dòng)下生成的。

處理器

　　DSP算法和架構(gòu)的優(yōu)化

　　由于動(dòng)態(tài)功耗的公式是p=Cv2f，低功耗是否意味著低電壓既可？安森美高級(jí)聽(tīng)力/音頻解決方案總監(jiān)Michel De Mey認(rèn)為功耗的高低不僅取決于你是否用1.0V還是1.2V，更取決于算法的速度。如果你采用了運(yùn)算密集的算法，使內(nèi)核達(dá)到50%~60%的負(fù)載，可以讓性能提高3倍；如果你對(duì)內(nèi)核進(jìn)行20%的加載，則性能也可以提高2倍。

　　另外，功耗也取決于整體架構(gòu)。例如為耳機(jī)等靠極少的電池供電的微型音頻用低功耗DSP，在設(shè)計(jì)濾波時(shí)，你可以在時(shí)域或頻域?yàn)V波。如果你能在頻域?qū)崿F(xiàn)濾波，就可以將功耗降低10倍。這可不是從哪里擠出20%來(lái)，而是從體系架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，從而達(dá)到如此之高的比例。

　　按此原則，安森美的第二代DSP—Belasigna 300與前代產(chǎn)品Belasigna 250比較(如圖2)，兩種產(chǎn)品的硬件都執(zhí)行同樣的功能，區(qū)別在于分屬不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，采用了不同的DSP架構(gòu)，另外，安森美還優(yōu)化了內(nèi)存技術(shù)，降低了內(nèi)存的電壓，而且讓存儲(chǔ)變得更為分布化一些；采用了新的模擬和數(shù)字IP、新的設(shè)計(jì)方法學(xué)、以及新的EDA工具。

圖2 安森美優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BelaSigna300 DSP功耗比前代產(chǎn)品大大降低

　　采用可配置的特殊應(yīng)用處理器

　　通常認(rèn)為，多核設(shè)計(jì)與單核的性能優(yōu)化二者協(xié)同作用，才能帶來(lái)處理器能耗大幅降低(圖3)。因此Tensilica多年來(lái)一直倡導(dǎo)在SoC中進(jìn)行可配置多核設(shè)計(jì)，并且致力于單核優(yōu)化，據(jù)Tensilica公司的總裁兼CEO Chris Rowen博士稱，該公司處理器核功耗是其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的1/3。

圖3 特殊應(yīng)用處理器對(duì)改進(jìn)性能和降低功耗幫助最大

　　Tesilica采取的具體方法是：

　　●優(yōu)化指令。Tensilica每個(gè)優(yōu)化指令效率相當(dāng)于普通的5~50個(gè)RISC指令；

　　●處理器核數(shù)量增加，每個(gè)核是“特殊應(yīng)用處理器”，其尺寸更小，每個(gè)小核完成專門的功能，例如有的做無(wú)線通信、有的管協(xié)議，有的處理視頻，有的執(zhí)行音頻……；在整體SoC設(shè)計(jì)時(shí)，如果需要一個(gè)主處理控制功能，主處理控制核可以是Tensilca的，也可以是其它公司的，例如ARM或MIPS等公司的。

Chris Rowen博士
Tensilica公司的總裁兼CEO

　　除此之外，在處理器核接口方面，Tensilca的Xtensa處理器核有更多的指定內(nèi)存(memory-mapped)I/O和直接連接選擇。建模和模擬工具Xenergy Energy Explorer在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了突破，融合了建模和分析，軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試等。

燃料電池及材料

　　燃料電池即將在便攜式產(chǎn)品中出現(xiàn)

　　隨著每個(gè)便攜式電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越多，因此耗電量也越來(lái)越大。普通電池容量已經(jīng)成為捉襟見(jiàn)肘，同時(shí)帶著電池充電器和導(dǎo)線也很麻煩。此時(shí)，燃料電池浮出水面，它的續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，充電時(shí)用一個(gè)燃料筒定期補(bǔ)充甲醇既可。目前燃料電池正在著手商品化，并有望于2009年在手機(jī)等手持產(chǎn)品中出現(xiàn)。

圖4 越來(lái)越多的人使用便攜產(chǎn)品，便攜電源用量上升

　　在燃料電池研制方面，MTI和杜邦公司等非?；钴S。MTI專利的Mobion技術(shù)目標(biāo)應(yīng)用是手持式產(chǎn)品，例如手機(jī)、MP3播放器、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。MTI的CEO Peng K. Lim說(shuō)在燃料電池的應(yīng)用方面會(huì)分兩步走：首先，手持產(chǎn)品中既可以用鋰電池，也可以用燃料電池替代；下一步，市場(chǎng)上出現(xiàn)單一的燃料電池供電方案。目前，韓國(guó)三星電子已經(jīng)在手機(jī)及附件方面與MTI公司合作，Gellette Duracell公司開(kāi)始了全球分銷工作。

Peng K. Lim
MTI公司CEO

　　MTI 采用直接甲醇燃料電池(DMFC)系統(tǒng)，Mobion技術(shù)的特點(diǎn)是采用100%甲醇作為燃料，因此用電時(shí)間更長(zhǎng)。其燃料電池工作在0~40℃，非常適合消費(fèi)類電子市場(chǎng)。

　　俗話說(shuō)“巧婦難為無(wú)米之炊”，為MTI提供DMFC技術(shù)的是Polyfuel公司。除了手持應(yīng)用，Polyfuel更看好燃料電池在筆記本電腦上的應(yīng)用前景。CEO Jim Balcom說(shuō)，預(yù)計(jì)今年年底之前筆記本型的參考設(shè)計(jì)和樣機(jī)就要出來(lái)，之后的12個(gè)月實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。因此2010年前后，筆記本電腦就會(huì)用上燃料電池。

Polyfuel公司CEO Jim Balcom

參考文獻(xiàn)：

　　1.  山水，‘走馬游硅谷，觀花看技術(shù)’，電子產(chǎn)品世界，2008,2.
　　
　　2.  迎九，‘重視IP和軟件，步伐更加激進(jìn)’，電子產(chǎn)品世界，2008,2.

　　3.  王瑩，‘45nm機(jī)遇、挑戰(zhàn)和新的協(xié)作模型’，電子產(chǎn)品世界，2007,12