全新的“智能功率”

　　未來(lái)幾年人們看待高科技界的方式將會(huì )發(fā)生巨大變化。我們現在剛開(kāi)始認識到：電子工業(yè)將成為解決全球變溫問(wèn)題的一個(gè)主角。到目前為止，企業(yè)都在談?wù)摻档湍芎挠媱?，但其?shí)能夠做的還有很多。從“智能功率”(Power Smart) 芯片和系統的設計，到形成整個(gè)電子工業(yè)的能效指導標準，新的功率范例要求電子工業(yè)承擔降低能耗的責任，從而提高能效，最終降低溫室氣體排放。

　　“功率”概念正在變化

　　在上世紀90年代，談到“功率”時(shí)，都是指為某一系統提供功率，或者說(shuō)向一塊PC板卡提供電壓和電流。而對大多數人來(lái)說(shuō)，“低功耗”也只涉及一些對功耗在乎的產(chǎn)品，而且很多都只是紙上談兵，通常成功率甚微。

　　半導體器件的功耗有兩種基本形式，即動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗 。靜態(tài)功耗是部件不做任何有用工作時(shí)的功耗，而動(dòng)態(tài)功耗　則是器件主動(dòng)工作時(shí)的功耗。直到最近，動(dòng)態(tài)功耗都是整個(gè)功耗的主要部分。器件電源電壓 (Vcc) 曾一度借助于動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，以及工藝尺寸的減小和系統電壓的降低而不斷降低，但這種繼續降低的日子已不復存在。此外，越來(lái)越小的集成電路 (IC) 工藝尺寸加劇了電流泄漏，使器件功耗大幅增加。隨著(zhù)泄漏電流的加劇，靜態(tài)功耗開(kāi)始成為功耗的主要部分，成為人們最關(guān)心的問(wèn)題 (圖1)。

 　　上世紀90年代的另一個(gè)巨大變化是電子產(chǎn)品大量進(jìn)入我們的生活中。過(guò)去，我們都使用筆和紙來(lái)交流、通信，傳遞信息。今天，我們都使用Apple iPhone和 Palm Treo智能電話(huà)之類(lèi)的電子設備。隨著(zhù)便攜電子設備的不斷發(fā)展，人們越來(lái)越不愿意購買(mǎi)那些需要插接在電源插座上的設備 (如臺式PC)。今天我們使用的臺式PC會(huì )把提供給它的功率浪費近一半，并且增加功率成本；可以說(shuō)是我們需要低功耗產(chǎn)品的一個(gè)很好的反面例子。

　　不幸的是，為電子設備供電需要發(fā)電，而發(fā)電所產(chǎn)生的溫室氣體排放對全球變暖這個(gè)嚴重問(wèn)題的影響高得驚人。根據聯(lián)合國2007年5月的報告，即使采取強有力的抑制措施，到本世紀末全球平均溫度也將升高多達華氏11度。

　　因此，業(yè)界各電子廠(chǎng)家都在討論如何降低從芯片到系統的整個(gè)統一體的能耗，希望有助于環(huán)境保護。盡管電子業(yè)界已采取了一些環(huán)保措施 (如無(wú)鉛及RoHS標準)，但還是未能充分地解決功率問(wèn)題。電子器件中有少量鉛的確是個(gè)問(wèn)題，但其影響較之于由全球溫度失控變暖而造成的災難還是很輕微的。

　　值得注意的是，到目前為止美國環(huán)?？偸?(EPA) 還沒(méi)有針對半導體產(chǎn)品設定Energy Star 標準。雖然這些半導體產(chǎn)品直接影響Energy Star評級產(chǎn)品的能效和管理，但業(yè)界一直未形成一個(gè)確定“低功耗”IC功效基準的方法。如果針對半導體產(chǎn)品提出功耗要求，就可最大限度地降低板卡、系統和最終產(chǎn)品的功耗，從而提高功效和減少溫室氣體。

　　顯然，這個(gè)問(wèn)題的解決方案有一部分握在電子行業(yè)手中。有了當今的智能功率技術(shù)，業(yè)界能夠做到的更多。業(yè)界承擔這個(gè)責任是必需的，責無(wú)旁貸。新的“功率”概念意味著(zhù)從芯片到系統整個(gè)統一體降低功耗的協(xié)同作戰。

　　智能功率芯片

　　依賴(lài)電池供電的便攜設備設計人員現正面臨一個(gè)可怕的挑戰，即消費者對于產(chǎn)品尺寸更小、功能更豐富、電池壽命更長(cháng)、價(jià)格更低及推出產(chǎn)品的周期更短等永無(wú)止境的追求。電池壽命延長(cháng)意味著(zhù)消費者的擁有成本降低。如果智能電話(huà)的電池壽命能正常供電6個(gè)小時(shí)，又如果鋰離子電池通常在充電300次~500次后才需要“破費地”被更換，那么，如果能將電池壽命由6小時(shí)延長(cháng)到數周或數月，這樣的產(chǎn)品豈不是更有吸引力？

　　便攜產(chǎn)品的設計人員過(guò)去依賴(lài)于面向特定應用集成電路 (ASIC) 實(shí)現其低功耗目標。但ASIC固有某些負累，即掩模工藝昂貴和開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)。設計人員的另一個(gè)選擇是可編程邏輯解決方案，尤其是基于SRAM技術(shù)的可編程邏輯器件，這種器件縮短了開(kāi)發(fā)周期，但也有不足之處，如靜態(tài)功耗高。事實(shí)上，當今市場(chǎng)上的一些所謂“低功耗”FPGA和CPLD (復雜可編程邏輯器件) 的電流消耗達30mA，這通常比典型便攜應用所能容忍的耗電高出1個(gè)~2個(gè)數量級。

　　基于SRAM技術(shù)的器件在上電啟動(dòng)時(shí)還會(huì )產(chǎn)生電涌，導致額外的電池消耗或造成系統初始化失敗。不僅如此，由于基于SRAM技術(shù)的FPGA的晶體管密度極高，半導體工藝尺寸每次縮小，其靜態(tài)功耗都會(huì )增加；這是因為尺寸縮小后，量子隧道效應和亞閾值區漏電之類(lèi)的問(wèn)題變得越發(fā)嚴重；這對面向便攜應用的器件是個(gè)實(shí)實(shí)在在的挑戰。如果采用那些利用 Flash 技術(shù)來(lái)配置SRAM內容的新型SRAM解決方案，功率問(wèn)題還會(huì )更加復雜，雖然這種解決方案在市場(chǎng)上稱(chēng)之為基于 Flash 的器件，但還是需要在耗電巨大的SRAM FPGA上額外增加一些電路。

　　幸好，現在已有真正的 Flash可編程邏輯技術(shù)。由于基于 Flash的非易失性FPGA不需要數百萬(wàn)個(gè)耗電的SRAM存儲位來(lái)配置數據，其靜態(tài)功耗較之于基于SRAM的解決方案低很多，因而是低功耗應用的理想器件。事實(shí)上，市面上有一些基于 Flash 的FPGA是專(zhuān)門(mén)針對低功耗應用設計的產(chǎn)品。這類(lèi)FPGA的靜態(tài)功耗僅為5mW，提供更高的復雜性及更多功能，而且較之于CPLD，其靜態(tài)功耗降低了四分之一，更可在便攜應用中延長(cháng)電池壽命達5倍。

　　Actel以 Flash 為基礎IGLOO系列FPGA的功耗是當今最好的SRAM FPGA的1% ~ 0.1%。降低2個(gè)~3個(gè)量級的靜態(tài)功耗意味著(zhù)電池可應對數周到數月的待機運行。就電池供電的便攜應用開(kāi)發(fā)而言，基于 Flash 的器件還有一些其它優(yōu)點(diǎn)，包括能夠迅速恢復工作狀態(tài)的靈活節能模式、低動(dòng)態(tài)功耗及時(shí)鐘管理功能。

　　智能功率芯片不僅功耗低，還可以智能化方式控制和降低整體系統功耗 。例如，混合信號Actel Fusion可編程系統芯片可將FPGA邏輯與其它用于系統管理的元件 (如Flash、模擬電路、微控制器及時(shí)鐘管理電路) 集成在一起。這種集成產(chǎn)品能減少板卡上的部件，降低整體功耗及部件材料成本，同時(shí)還可對系統進(jìn)行精細的功率管理。

　　智能功率系統

　　通常在設計某種系統時(shí)，都會(huì )設定功耗指標。然而，當設計人員能“大概”滿(mǎn)足這個(gè)指標后，通常都不會(huì )再盡力改進(jìn)設計，因而留下功耗缺陷的隱憂(yōu)。由于電子設備的產(chǎn)量往往多達數億，每個(gè)設備多浪費幾瓦就意味著(zhù)巨大的能源浪費，加上汽油價(jià)格上漲，最終會(huì )對環(huán)境造成影響。不幸的是，一般很難跟蹤每個(gè)部件的功耗或電壓，使得消除器件的多余功耗的工作變得非常困難。而且，在系統工作時(shí)，也幾乎無(wú)法測量這些電壓、電流和溫度，使得判別系統何時(shí)出現問(wèn)題的工作更為復雜。

　　越來(lái)越多新標準的出現，如ATCA (高級電信計算架構)、MicroTCA以及智能平臺管理接口 (IPMI)，表明我們需要系統層面和企業(yè)層面的功率管理。這些應用需要實(shí)時(shí)測量電壓、電流和溫度及發(fā)現問(wèn)題的能力；記錄和交換這些測量數據的能力；以及適時(shí)采取糾正措施的能力。畢竟，僅僅知道電源提供了多余的電流或板卡溫度太高是無(wú)用的，還需要采取措施來(lái)糾正。

　　系統管理過(guò)去采用多芯片解決方案來(lái)實(shí)現。這類(lèi)設計需額外增加10個(gè)~15個(gè)芯片，即耗費財力，又占用寶貴的板卡空間，還要額外耗電，因此實(shí)在不算是一種“解決方案”。多芯片方案還要耗費可觀(guān)且通常是稀缺的工程技術(shù)資源?？墒?，業(yè)界卻無(wú)視這些可觀(guān)的成本，在管理和控制系統功耗方面一直努力甚少。

　　在意識到“全能普適”是世界上最大的謊言后，人們似乎明白需要采用現場(chǎng)可編程解決方案。使用基于 Flash 技術(shù)的單芯片現場(chǎng)可編程器件是實(shí)現簡(jiǎn)單及低成本系統管理解決方案的最好方法。這種具有上電即用的器件在市場(chǎng)已有供應，能減少系統的部件數量，并完成系統功率管理。由于具有現場(chǎng)可編程能力，這種靈活的器件還能輕松滿(mǎn)足各種獨特需求，并可應對項目、系統、板卡和工程師的需求變更。采用非易失性存儲技術(shù)的混合信號Actel Fusion 可編程系統芯片則進(jìn)一步降低了工程技術(shù)資源需求，是包括軟件和硬件的完整解決方案。

　　而且，由于這種芯片集成了必要的管理功能 (如啟動(dòng)和上電順序管理、功率管理)，因此系統成本得以降低。構建智能功率系統的前期投入少，運行成本也大幅降低。由于每年節省1W的能量就會(huì )使系統運行成本節省1美元~2美元，在企業(yè)層面開(kāi)發(fā)高成本效益的功率管理解決方案就能節省數量驚人的能量，從而節省大量金錢(qián)，而且，更重要的是對環(huán)境還有極大好處。

　　智能功率解決方案一例

　　電機在當今生活中幾乎無(wú)處不在，從電梯到家用電器。2005年，美國的電力消耗為40550億千瓦小時(shí)。其中50% 以上用于電機消耗，即達到驚人的2萬(wàn)億千瓦小時(shí)。不幸的是，許多使用中電機的效率都很低，將供應的電能浪費了一大部分。

　　隨著(zhù)半導體工藝和集成度的提高，混合信號FPGA開(kāi)始成為實(shí)現電機控制的重要替代產(chǎn)品。這類(lèi)集成度高、靈活性強的平臺能提供電機控制所需的大多數資源，且集成在低成本的單芯片器件上。采用FPGA替代固定邏輯產(chǎn)品，設計人員能夠靈活地實(shí)現針對應用的最高效設計，并可將相同器件用于不同的電機。

 　　小型AC交流電機的效率可能會(huì )低到50%。雖然，隨著(zhù)電機尺寸增加，其效率也增加到90%以上，但仍然還有提高效率和降低能耗的空間。通過(guò)引入智能化的負載匹配技術(shù)或變頻控制技術(shù)，可以提高電機在整個(gè)速度范圍的功效。采用可重編程混合信號FPGA和用軟件方式優(yōu)化的微控制器 (如ARM7或ARM Cortex-M1處理器)，就可以在許多類(lèi)型的電機上達到這個(gè)目的，而且實(shí)現成本對大多應用都具有吸引力。事實(shí)上，在最佳情況下采用此技術(shù)，電機效率可接近95%；如果大規模應用，美國年度能耗便可降低3,000億千瓦小時(shí)，即節省數十億美元，并減少溫室排放氣體1.8億噸（圖2）。

　　結論

　　近20年來(lái)，功率的概念已發(fā)生巨大變化。同時(shí)，各種電子設備大量涌現?？杀氖?， 為這些電子設備供電而發(fā)電所產(chǎn)生的溫室氣體排放，對全球變暖造成的影響高得驚人。

　　業(yè)界各電子廠(chǎng)家都在討論如何降低能耗，希望這樣會(huì )有助于環(huán)境保護，但其實(shí)我們能夠做到的更多。無(wú)論是智能功率芯片和系統的設計，還是形成整個(gè)電子工業(yè)的能效指導標準。新的功率范例要求電子工業(yè)承擔降低能耗的責任，從而提高能效，最終減少溫室氣體排放。