條條道路通節(jié)能 節(jié)能的挑戰(zhàn)與機遇在何處

EDA工具

　　產(chǎn)業(yè)合作促SoC功耗巨大降低

　　系統(tǒng)級設備是能耗的最終體現(xiàn)者。但是設計時需要從多個層次考慮。Cadence公司低功耗市場行銷總監(jiān)Mohit Bhatnagar認為功耗需要從4個層次設計：服務器中心和綠色電網(wǎng)；系統(tǒng)和軟件；半導體技術；SoC設計。

　　其中SoC是重中之重。因為每在服務器上節(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)約可以達到2.73W的水平。因此，SoC可以帶來將近3倍的功耗降低。

　　多電源電壓、關機功能、電源電壓縮放等方面可以帶來10～20倍的功耗降低。那么它是否會帶來一些不利影響？我們考察系統(tǒng)架構到RTL級的SoC設計，它可以揭示系統(tǒng)的影響。但在2～4年前，所采用的設計流程方法影響是很強的。所以設計者要問的一個基本問題是，我們如何獲得所需的時序、性能和功耗，而不至于降低產(chǎn)出率和延長上市時間？如何避免不必要的風險。好消息是，多種類型的公司們聯(lián)手起來了。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設計中實現(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)通過附加3種產(chǎn)出率的改進措施，功耗可以降低40%。NXP、Freescale、NEC、TSMC等公司都是該聯(lián)盟的成員，而且設計出了先進的電源部件。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，完全可以克服相應的風險，并實現(xiàn)巨大的功耗降低。
　　
　　SoC功耗設計的黃金模型

　　在SoC系統(tǒng)設計方面，現(xiàn)在還有一些人們幾乎未涉足的領域，而這些領域將對降低功耗產(chǎn)生最大的推動作用。幸運的是，人們現(xiàn)在已經(jīng)擁有大量針對這一領域的設計工具。Mentor Graphics的ESL(電子系統(tǒng)級)-HDL(硬件描述語言)部門總經(jīng)理Glenn Perry介紹了系統(tǒng)級設計需要考慮的方方面面。

　　系統(tǒng)架構方面的改進將帶來巨大的好處，不過在EDA界，人們只有在設計的較晚階段才使用功耗仿真工具，如門級和物理實現(xiàn)級。那為何不在系統(tǒng)級進行這些工作？原因主要包括：

　　第一， 這樣做所花費的成本和相應的折中。要實現(xiàn)這一點，就需要一個運行速度極快的仿真平臺，足以運行所需的軟件，因為我們也提到了軟件、硬件和系統(tǒng)設計的影響和相互關系。

　　第二， 關系到模型的精度。如果你不能精確地預測其功耗特性，則世界上最快的仿真也沒有多大裨益。你無法或者很難知道你的器件的功耗，除非具體地將其實現(xiàn)，因為功耗與許多實際因素有關。近年來，技術也取得了巨大進展，可以提供transaction(事務)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，在門級和transcaction級可以達到5%~10%以內。這是一個巨大的進展。沒有人愿意對其設計兩次建模，一旦在SystemC和標準C中建模后，還要在RTL中建模。

　　第三， 我們的機會是如何利用這些模型來作為“黃金”模型，進行測試平臺的校驗。如今在市場上進行的驗證方法學方面的進展，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下生成的。

處理器

　　DSP算法和架構的優(yōu)化

　　由于動態(tài)功耗的公式是p=Cv2f，低功耗是否意味著低電壓既可？安森美高級聽力/音頻解決方案總監(jiān)Michel De Mey認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。如果你采用了運算密集的算法，使內核達到50%~60%的負載，可以讓性能提高3倍；如果你對內核進行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。例如為耳機等靠極少的電池供電的微型音頻用低功耗DSP，在設計濾波時，你可以在時域或頻域濾波。如果你能在頻域實現(xiàn)濾波，就可以將功耗降低10倍。這可不是從哪里擠出20%來，而是從體系架構上進行創(chuàng)新，從而達到如此之高的比例。

　　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節(jié)點，采用了不同的DSP架構，另外，安森美還優(yōu)化了內存技術，降低了內存的電壓，而且讓存儲變得更為分布化一些；采用了新的模擬和數(shù)字IP、新的設計方法學、以及新的EDA工具。

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

　　采用可配置的特殊應用處理器

　　通常認為，多核設計與單核的性能優(yōu)化二者協(xié)同作用，才能帶來處理器能耗大幅降低(圖3)。因此Tensilica多年來一直倡導在SoC中進行可配置多核設計，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爭對手的1/3。

圖3 特殊應用處理器對改進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每個優(yōu)化指令效率相當于普通的5~50個RISC指令；

　　●處理器核數(shù)量增加，每個核是“特殊應用處理器”，其尺寸更小，每個小核完成專門的功能，例如有的做無線通信、有的管協(xié)議，有的處理視頻，有的執(zhí)行音頻……；在整體SoC設計時，如果需要一個主處理控制功能，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存(memory-mapped)I/O和直接連接選擇。建模和模擬工具Xenergy Energy Explorer在結構上進行了突破，融合了建模和分析，軟件開發(fā)和調試等。

燃料電池及材料

　　燃料電池即將在便攜式產(chǎn)品中出現(xiàn)

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

圖4 越來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和杜邦公司等非常活躍。MTI專利的Mobion技術目標應用是手持式產(chǎn)品，例如手機、MP3播放器、游戲機、數(shù)碼相機等。MTI的CEO Peng K. Lim說在燃料電池的應用方面會分兩步走：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，市場上出現(xiàn)單一的燃料電池供電方案。目前，韓國三星電子已經(jīng)在手機及附件方面與MTI公司合作，Gellette Duracell公司開始了全球分銷工作。

Peng K. Lim
MTI公司CEO

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

　　俗話說“巧婦難為無米之炊”，為MTI提供DMFC技術的是Polyfuel公司。除了手持應用，Polyfuel更看好燃料電池在筆記本電腦上的應用前景。CEO Jim Balcom說，預計今年年底之前筆記本型的參考設計和樣機就要出來，之后的12個月實現(xiàn)產(chǎn)品化。因此2010年前后，筆記本電腦就會用上燃料電池。

Polyfuel公司CEO Jim Balcom

參考文獻：

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

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