有幾種技術可用于低功耗設計，但是每當納瓦或皮焦耳重要時，必須使用所有可用方法。

一些必要的技術不同于高端設計所使用的技術。隨著時間的流逝，其他的丟失了，因為它們的影響被認為太小，或者不值得進行額外的設計工作。但是，對于僅使用一根電池即可使用壽命或清除其運行所需功率的設備，就不會有任何困難。

“在過去的三十年中，人們通過降低幾何節點來優化和降低了功耗，” 西門子業務部Mentor Calypto集團戰略和業務開發高級經理Anoop Saha說?！暗菍τ谟呻姵仳寗拥?a href="http://www.nxhydt.com/soft/data/55-88/" target="_blank">物聯網設備，那是人們開始關注微焦耳和皮焦耳能量的時候。然后，極低的功耗變得更加重要。我看到現在存在的東西與市場需求之間的差距?！?/p>

有幾個級別可以優化功率。Cadence數字與簽核部門產品管理總監Dave Pursley 將其等同于Maslow對人類的需求層次?！暗凸脑O計或實際上任何設計的最基本需求是硅需要可靠地工作?！?/p>

在層次結構的此級別上可以而且應該取得進展。Fraunhofer IIS自適應系統工程部設計方法學系主任Roland Jancke說：“該領域最重要的障礙之一是需要全面的低功耗模型。” 這些由設計系統提供，由代工廠進行參數化，并在設計人員的開發流程中使用。該領域的技術似乎比開發工具和標準的發展速度更快?！?/p>

Pursley說，在設計流程的較早階段，您將更加專注于優化需求?！霸O計和實施團隊致力于使設計的功能最小化。多模式多角優化，多位單元推理，多Vt泄漏優化，時鐘門控，功率意圖等，都集中在使設計功率最小化上。在某些情況下-實際上，在很多情況下-依靠優化和簽核將可以滿足您的需求。只要保持對功率的關注，您的硅片就能并且將繼續生存。”

高時鐘頻率設計與以較低頻率工作的設計之間的一個顯著差異是觸發器之間可容納的邏輯量?！澳梢該碛猩顚拥臄祿窂剑驗槟槐匾院芨叩臅r鐘頻率運行這些電路，” Cadence產品管理總監Rob Knoth說。“但是，這增加了發生的故障量。這可以顯著增加總功率，尤其是在傳輸故障中。這是一個故障，不會被門過濾掉，并可能導致實際開關。只要它在時鐘沿之前穩定下來，就不會出現功能問題，但是沿之間的電源切換將上升。

當Dennard縮放停止在20年前時，控制能力變得更加重要。盡管新節點確實提供了較低的功率，但這樣做卻增加了成本。但是功率不會以與大小相同的速率降低，這意味著功率密度可能會增加。Mentor的Saha說：“ 降低功耗并不是降低功耗的唯一方法。” “我已經看到了一些示例，其中針對特定用例設計和優化的專用芯片比7nm實現的通用設計功耗更低，即使優化設計位于更高的節點上。”

大多數開發團隊對這類優化感到滿意。Arm的杰出工程師James Myers說：“如今，納瓦和皮焦耳系統已經可以實現，但是需要將許多節電技巧一起部署?！?“這包括對所有可能的功率進行門控以抑制泄漏，停止或減慢所有時鐘以避免浪費動態功率，使用矢量處理器擴展來減少周期數，然后盡可能降低電壓。”

在馬斯洛的層次結構中繼續延伸的是一個完全不同的世界。Pursley補充說：“在設計超低功耗時，要考慮納瓦和皮焦耳的問題，這不足以創造出最低功耗的設計方案?！?“您需要在最低功耗的設計中創建最低功耗的實現。”

這三個級別都很重要?！耙档凸模麄€行業將需要改進的SoC設計技術，設計優化和定制功能以及工藝技術的擴展，” Atmosic首席執行官David Su說。這些技術將共同導致一種極低功耗的無線解決方案。低功耗無線電技術旨在使連接的設備以最小的功率運行，從而最大限度地延長電池壽命。通過降低功耗并延長電池壽命，我們將看到物聯網解決方案，其中電池將持續產品本身的使用壽命?！?/p>

而且很重要的一點是，所有級別都不能忽略。“電容，電壓和頻率–這些都是設計師控制的事情，” Ansys PowerArtist產品管理負責人Preeti Gupta說。“在這里，我們看到許多人正在思考如何處理電源電壓–是縮小電源電壓，使用多個電壓域還是使用電源門控。我們聽說了動態頻率縮放。時鐘門控是關于關閉冗余活動的。直到最后階段，才通過算法考慮在早期階段應用許多技術，在這些階段中，您將進行多Vt優化或引腳交換或路徑平衡以降低功耗?！?/p>

體系結構的重要性

大多數IoT邊緣設備基本上都非常相似。“該芯片基本上具有傳感，處理和通信功能，” Arteris IP營銷副總裁Kurt Shuler說?！巴ǔＶ挥幸粋€傳感器，或者連接有多個傳感器。這些事情正在定期輪詢或通信。他們通常有一部分芯片被稱為“始終在線”，即使它并不總是在線。它正在進行通信并檢查傳感器是否有任何東西。與手機，某些AI芯片或ADAS芯片相比，這些芯片并不龐大。這些芯片確實很小，但是其中的電源管理確實很復雜。”

還有其他應用程序看起來可能完全不同?！氨仨氝M行針對特定領域的架構創新，” Saha說。“關于電源的去向已經有很多研究。例如，在計算中，大量功耗與片外DRAM訪問相關。那么如何優化呢？您可以通過更改軟件來減少DRAM訪問次數，或者通過更改硬件來減少計算訪問量，以減少內存訪問量。”

對于其他應用程序，擁有專用于特定任務的小型系統效果很好。Atmosic的Su表示：“按需喚醒技術使端點設備能夠偵聽傳入的“喚醒”信號，同時保持極低的功耗狀態。“這不僅將系統功耗降低了一個數量級，而且通過將信標保持在待機模式來減少空中信號的沖突?！?/p>

在此級別上正確處理事情需要進行分析。“您如何找到最佳的低功耗架構？” Pursley問?！敖鉀Q方案空間很大。算法可以改變；體系結構可以改變；硬件-軟件邊界可能會改變。在過去的幾年中，這種權衡分析充其量是基于一些封底計算和大量的“我知道我上次做得如何”的結論。”

有許多問題需要回答。“正確的軟硬件邊界在哪里？” 薩哈問?！叭绾未_定硬件和軟件的協同設計是其中的關鍵部分。哪一部分應該進入硬件，哪些部分應該進入軟件？什么是正確的存儲結構，什么是正確的量化以及不同的微體系結構特征的正確方面是什么？如果您不使用高級綜合（HLS），那么很多決定是在您開始編寫Verilog之前做出的碼。對于低功耗設備而言，這是一個問題，因為您不知道針對您的應用程序或設計的最佳架構是什么，您需要靈活性。您需要能夠非常快速地進行更改并快速進行評估?！?/p>

Pursley補充說：“對于數字設計師和建筑師，高級綜合（HLS）使他們能夠定量評估這些架構決策，并快速創建和評估RTL，以進行廣泛的架構折衷?！?“ HLS與邏輯綜合和功耗估算的集成為設計人員和架構師提供了快速，早期和準確的功耗，性能和面積分析?！?/p>

存在于硬件和軟件邊界的另一種最新的功率優化策略是利用可擴展的處理器體系結構。Saha說：“我見過人們在使用高級綜合在處理器中創建自定義指令?！?“這可能是處理器中的一條指令，如果這是應用程序中的一個小重復性任務，或者作為加速器，您可以將其排除在處理器之外，這可能是有道理的。這些是架構決策。對于某些應用程序，自定義指令將是最佳選擇，但是在加速器中運行服務器的許多應用程序將是最佳選擇。”

有時，放置電源控制也很重要?！皶r鐘門控，電源門控或其他電源優化狀態有各種組合和排列，” Arteris的Shuler說。“可能會有20多個不同的。他們打開和關閉不同的東西，并根據他們正在做的事情以較低或較高的頻率為時鐘計時。必須處理功耗模式的狀態機非常復雜。片上網絡（NoC）是所有這些模塊和子系統之間的高速公路和旁路。這就是他們控制電源并快速恢復工作的地方。他們不僅必須經歷所有州，而且還必須非常迅速地經歷們。通過NoC中的電源管理，它實際上非常先進?！?/p>

降低電壓

功耗對電壓具有二次依賴關系。“但是降低電壓是部署最困難的節能技巧，”阿姆斯·邁爾斯（Arm's Myers）說?！八梢栽诮咏偷陀陂撝档碾妷合路祷?至10倍的增益。最終限制我們在這里的是DC-DC轉換效率和非易失性存儲器訪問能量，盡管最近兩者都在有所改善。但是，改進的鑄造廠和EDA支持可以減輕額外的設計成本。特別是，低壓下的可變性要求采用自適應技術，這可能很難簽發，并且設備泄漏并非總是能精確表征皮安級精度?！?/p>

圖1：最小能量點通常略高于閾值電壓。資料來源：Arm

極低電壓工作的問題之一是可變性可能會產生重大影響。Moortec營銷副總裁Ramsay Allen表示：“高精度PVT監視子系統的加入滿足了半導體設計界對提高設備可靠性和增強性能優化的需求。“這將啟用諸如AVS和電源管理控制系統之類的方案?！?/p>

在所有電壓和頻率邊界上創建了域交叉。舒勒說：“無論您在改變時鐘或創建電源域的任何地方，這都是跨域的?！?“有了電源，您需要電平轉換器，而通過時鐘，您需要的是異步連接。如今，我們擁有專用工具來設計和驗證此類交叉路口，在許多情況下，這種困難可以有效地隱藏在互連中。發生的事情是，當他們選擇一個過程時，該庫中的電平轉換器將進入這些數字容器，并且它們都已經過預先驗證?！?/p>

向量的重要性

盡管如此，仍有很多機會可以針對錯誤的事物進行優化。薩哈說：“您不僅必須考慮如何測量功率，還必須考慮測量的內容?！?“這取決于體系結構和刺激因素以及系統的行為方式。如何設計系統很重要。如何測量和弄清楚測量的內容很重要。第三部分是如何優化自己的資產？”

不考慮用例是一個常見的錯誤。Pursley說：“許多人沒有想到用于功率估計和優化的刺激?！?“由于被最大的局部因素分散注意力，這很容易錯過電源問題，這可能是永遠都看不到的。在探索和早期設計階段，您可能希望最大程度地降低整體功耗。您為此使用的刺激不太可能在放置和布線后出現最壞情況的電源問題，就像在典型使用模型下將功耗降至最低時，旨在暴露極端情況的刺激不太可能非常有用?！?/p>

結論

有很多因素會影響設備的總功耗或能量消耗，但是當尋求創建極低功耗的設備時，就不會遺漏任何東西。有人說，當傳統的解決方案變得越來越復雜或困難時，可能是一個困難的解決方案開始看起來是最佳選擇。這肯定是在電源領域發生的，其中近閾值設計等技術引起了越來越多的關注。

審核編輯：湯梓紅