條條道路通節能 節能的挑戰與機遇在何處

　　摩爾定律表明，每24個(gè)月(后來(lái)業(yè)界修正為18個(gè)月)IC上可容納的晶體管數量增加一倍，性能也將提升一倍。2000年底網(wǎng)絡(luò )泡沫破滅后，人們最為關(guān)心成本，其次是功耗和性能。這兩年，隨著(zhù)便攜式產(chǎn)品的異軍突起和全世界節能環(huán)保的要求，降低功耗成為了業(yè)界普遍關(guān)注的大事。

　　近日，筆者采訪(fǎng)了眾多公司，看到他們非常重視節能和環(huán)保。西諺說(shuō)“條條大道通羅馬”，由此引申到節能環(huán)保，我們可以通過(guò)很多方法來(lái)實(shí)現節能。

眾多公司在Electronic Summit2008電源討論會(huì )上發(fā)言
(自左至右的代表來(lái)自：安森美、Intersil、Mentor、Qimonda、NS和Cadence)

　　節能的設計方法學(xué)

　　National Semiconductor公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NS)全球伙伴關(guān)系市場(chǎng)行銷(xiāo)經(jīng)理Rick Zarr從多個(gè)角度談了看法。
　　
　　●我們有時(shí)從系統架構層面來(lái)實(shí)現節能。一個(gè)實(shí)例是半導體的性能、溫度和電源電壓的關(guān)系。我們的設計出發(fā)點(diǎn)是有效工作狀態(tài)。半導體產(chǎn)品的性能各不相同，其中大部分是CMOS電路，其性能往往要高于你的設計目標。如果你能夠適應各種產(chǎn)品的性能特性，就能實(shí)現產(chǎn)品的整體性能優(yōu)化。

　　●在芯片層面上，也可以采用新的設計哲學(xué)。當前設計方面的一個(gè)挑戰是，如何突破許多工程師在思路上的線(xiàn)性化框架。工程師們必須把思路延伸到機箱之外。NS現在具有可以在芯片級完成這一工作的產(chǎn)品，即電源電壓可自適應縮放的產(chǎn)品。但我們還需要在更高層次上的產(chǎn)品，此時(shí)軟件就將發(fā)揮作用。

　　●散熱問(wèn)題，這與電源轉換效率有關(guān)。當接近理論極限時(shí)，設計的回報就很低。由于能量的轉換必然伴隨著(zhù)發(fā)熱，架構設計師和工程師研究我們消耗了多少能量，但是那部分能量又該如何去除？如果你的應用空間固定，而冷卻的能力有限，即解決問(wèn)題的方法受到了約束，因此，這是一個(gè)很大的挑戰，對于那些要設法利用現有基礎設施的人們來(lái)說(shuō)尤為如此。

　　●微量節能。實(shí)際上，微量節能也能帶來(lái)巨大的影響，因為其數量會(huì )隨著(zhù)用戶(hù)數量增加而成倍增長(cháng)。如果你能在保證性能的情況下擠出一點(diǎn)功耗來(lái)，無(wú)數的功耗累積起來(lái)效果巨大。據美國能源部的一個(gè)統計表明，如果美國的每一戶(hù)家庭把一只燈泡用CFL(節能熒光燈)—其效率是白熾燈的兩倍—來(lái)取代的話(huà)，節約下來(lái)的能量將足以供300萬(wàn)戶(hù)家庭使用。這個(gè)例子說(shuō)明，設計工程師們面臨的挑戰，不僅是那些巨大的挑戰—如何用更低的功耗獲得更高的性能，也包括如何實(shí)現環(huán)保等。

　　便攜式電源轉換拓撲結構經(jīng)驗

　　Intersil公司負責便攜式業(yè)務(wù)的高級產(chǎn)品市場(chǎng)行銷(xiāo)經(jīng)理Andrew Baker說(shuō)該公司把降低電源劃分成為兩個(gè)部分：

　　●系統級及軟件性的功耗管理；

　　●硬件的功耗管理。

　　設計者需要把這兩部分有機地組合起來(lái)，以實(shí)現優(yōu)化的功耗特性。

　　從系統設計的角度來(lái)看，架構及其劃分很重要，設計人員需要確定哪些功能是必需的。例如，手機在大部分時(shí)間里是處于待機狀態(tài)的，因此可以把大部分與RF部分無(wú)關(guān)的電路關(guān)閉。你可以在架構上考慮電能是如何從電池轉換為電路電源的，線(xiàn)性的還是開(kāi)關(guān)式的，軟件必須管理好這些。軟件是確保何時(shí)應該按照何種模式工作的關(guān)鍵，有的軟件工程師認為它就是宇宙的中心，在大多數情況下的確是這樣。軟件需要針對實(shí)時(shí)管理操作進(jìn)行優(yōu)化，考慮到全功耗、低功耗、休眠、深度休眠，這些就是人們目前所能想到的處理功耗問(wèn)題的系統解決方案。我們還應把系統劃分為多個(gè)微處理器，它們甚至可以在同一片芯片上，讓他們能以不同的時(shí)鐘速度工作。這也是一種優(yōu)化系統性能的方法。
在硬件方面，你可以有多種選擇。市場(chǎng)上有多家廠(chǎng)商、多種架構的解決方案。例如，開(kāi)關(guān)式穩壓器是手持式裝置中常見(jiàn)的一種用于提高效率的手段，但市場(chǎng)上也存在一些線(xiàn)性的、成本更低的解決方案，有時(shí)它們更優(yōu)化。因此架構的選擇對于效率極為關(guān)鍵。電源管理方面，你可以采用多種模式。開(kāi)關(guān)穩壓器有兩種模式：PWM(脈寬調制)和PFM (功率因子模塊)，PWM將為滿(mǎn)負載條件服務(wù)，而PFM將用于輕負載條件。甚至還可以有第三種模式，如LDO(低壓降)。事實(shí)上低壓降的電源效率極高，可避免開(kāi)關(guān)穩壓器在開(kāi)關(guān)中消耗的能量。例如，如果你的系統中已經(jīng)有DC-DC變換器了，你還可以L(fǎng)DO作為第二級。例如，你可能希望系統的內存以1.8V工作，你現在已經(jīng)有了1.8V的電壓軌，而現在又需要為低壓的內核供電，于是就可以用一個(gè)LDO 來(lái)為其提供一個(gè)1.2V的電壓。這就是一個(gè)將兩種拓撲結構組合起來(lái)，以達到優(yōu)化的例子。

 模擬IC

圖1  世界電源市場(chǎng)

FPGA

　　一整套方案實(shí)現節能

　　Actel公司的總裁兼CEO John East認為，節電是件很復雜的事，需要從上百個(gè)角度去考慮解決問(wèn)題，例如噪聲、散熱、工藝、材料、封裝等問(wèn)題。

Actel CEO John East：節能可從上百個(gè)角度考慮

　　Actel公司作為FPGA芯片解決方案廠(chǎng)商，認為低功耗往往不僅是一個(gè)芯片低功耗，更涉及到一整套的解決方案。以Actel為例，采用的技術(shù)是Flash FPGA，產(chǎn)品有兩類(lèi)：IGLOO是FPGA家族中超低的功耗產(chǎn)品，靜態(tài)功耗達到0.05mW/百萬(wàn)門(mén)；加入了智能系統和功率管理的Fusion可編程系統芯片是第二個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)；除此之外，還有功率優(yōu)化的設計工具Libero IDE、低功耗的ARM Cortex-M1核，智能功率IP，以及號稱(chēng)業(yè)界最小的FPGA封裝。
　　
　　制程提到40nm

　　Altera發(fā)布業(yè)界首款40nm FPGA和HardCopy ASIC，命名為Stratix IV FPGA和HardCopy IV ASIC都提供收發(fā)器，在密度、性能和低功耗上遙遙領(lǐng)先。盡管40nm時(shí)漏電流是個(gè)挑戰，但是由于采用了應變硅技術(shù)，使功耗大大降低，Stratix IV預計比上一代產(chǎn)品功耗降低了1/2。“原來(lái)我們計劃08年推出45nm制程”，Altera資深市場(chǎng)副總裁Jordan S. Plofsky說(shuō)，“由于代工廠(chǎng)TSMC的工藝進(jìn)步，今年初TSMC已把工藝提高到40nm”。與此同時(shí)，Altera還發(fā)布了Quartus II軟件8.0，支持其40nm FPGA/結構化ASIC，延續了該公司在設計軟件性能和效能上的領(lǐng)先優(yōu)勢。

Altera 資深市場(chǎng)副總裁Jordan S. Plofsky

　　不過(guò)，等待新產(chǎn)品需要一些耐心。Altera計劃于2008年第4季度提供Stratix IV器件系列第一個(gè)型號的工程樣片，HardCopy IV ASIC將于2009年第三季度開(kāi)始接受客戶(hù)投片。

加入IP核

　　Xilinx公司CEO Wim Roelandts說(shuō)，Xilinx一直在把越來(lái)越多的硬核和軟核加入FPGA之中，包括第三方的IP核。因為IP核改進(jìn)性能、提高速度且降低功耗。軟IP和硬IP是相輔相成的，當軟件的效率沒(méi)有足夠高，用硬件實(shí)現；硬件效率雖高，但成本高一些。因此選擇硬核還是軟核需要綜合考慮成本、效率等問(wèn)題。

Xilinx CEO Wim Roelandts

　　例如，08年3月底Xilinx推出了Virtex-5的第四個(gè)平臺—FXT家族，是基于PowerPC440處理器模塊、高速RocketIO GTX收發(fā)器和專(zhuān)用XtremeDSP處理能力。盡管Xilinx也有MicroBlaze軟IP核，但是其產(chǎn)品的有力補充。

存儲器

　　DRAM節能與可擴展性
 
　　“人們可能會(huì )覺(jué)得存儲器與功耗方面的挑戰并無(wú)多大關(guān)系”，Qimonda(奇夢(mèng)達)公司的高級市場(chǎng)行銷(xiāo)總監Tom Till認為，“但存儲器與功能間的關(guān)聯(lián)性取決于所用的平臺?，F在IT業(yè)大量采用了服務(wù)器。有文獻表明，DRAM的功耗在服務(wù)器群(farm)的功耗中的比重為10%~40%，這里可用一個(gè)平均值25%來(lái)表達。關(guān)于數據中心的運行成本，2005年有一個(gè)數據，全球的服務(wù)器群在電能方面的支出達到了72億美元，而其中DRAM所占的25%的功耗，就足以證明其與這個(gè)行業(yè)的關(guān)聯(lián)性。設計者首先考慮的問(wèn)題是如何安排DRAM在服務(wù)器中所占的空間面積，但如果他能設法利用可以輕松獲得的技術(shù)—這實(shí)際上是個(gè)設計中的選擇問(wèn)題—將功耗降低20%，就可以節省約3.5億美元的成本?？紤]到IT市場(chǎng)的繁榮景象，就不難想象電力方面的成本支出在過(guò)去3年中出現了多大幅度的增長(cháng)。

　　從DRAM的角度來(lái)看，目標就是設法設計出標準的低功耗DRAM，并在其中集成部分自刷新等功能。這種核心技術(shù)和集成的功能集將讓DRAM從以待機模式為中心的設計轉移到以有效工作模式為中心的設計文化上來(lái)。這再次說(shuō)明，這既不是技術(shù)，也不是設計，而是設計中的取向問(wèn)題。
存儲器的可擴展性也是非常重要的。在未來(lái)不能升級擴展的系統，會(huì )阻止存儲器方面的人員運用可以降低功耗包絡(luò )的功能和部件。不久前，我們還處在mm時(shí)代，現在則達到了nm時(shí)代，而pm節點(diǎn)也并非遙不可及。因此，可擴展性極為重要。目前，Qimonda正在從基于溝槽的技術(shù)轉向混合型的技術(shù)。Qimonda的可擴展性已經(jīng)超越了50nm和40nm節點(diǎn)，達到了約30nm的節點(diǎn)。這種可擴展性，使得Qimonda能夠開(kāi)發(fā)出核心平臺，保證DRAM的低功耗特性。由于具有該平臺，Qimonda現在能把產(chǎn)品放入各種具有音/視頻功能的產(chǎn)品中。