隨著硅幾何接近物理的邊緣，一條新的經(jīng)驗(yàn)法則正準(zhǔn)備管理計(jì)算行業(yè)：“你應(yīng)該每兩年將功耗降低 50%?！?這怎么可能？亞閾值電壓電路。

ULPBench 是由嵌入式微處理器基準(zhǔn)聯(lián)盟 （EEMBC） 開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)，用于測(cè)量超低功耗 （ULP） 嵌入式微控制器 （MCU） 的能效?；鶞?zhǔn)測(cè)試將一組標(biāo)準(zhǔn)化的 MCU 工作負(fù)載移植到目標(biāo)，例如內(nèi)存和數(shù)學(xué)運(yùn)算、排序和 GPIO 交互。這些工作負(fù)載構(gòu)成了分析 8 位、16 位或 32 位 MCU 的活動(dòng)和低功耗條件的基礎(chǔ)，包括活動(dòng)電流、睡眠電流、內(nèi)核效率、緩存效率和喚醒時(shí)間。然后使用倒數(shù)公式計(jì)算結(jié)果（1000/10 個(gè) ULPBench 周期每秒平均能量 5 倍的中位數(shù)），根據(jù)工作負(fù)載運(yùn)行期間消耗的能量量得出分?jǐn)?shù) - ULPBench。

雖然 Shine 在電池壽命方面超過了大多數(shù)其他追蹤器，但許多用戶發(fā)現(xiàn)功能過于有限。Shine 配備了 Silicon Labs EFM32 MCU、藍(lán)牙低功耗 （BLE） 和 3 軸加速度計(jì)。這使 Shine 與 Fitbit 最基本的產(chǎn)品 Fitbit Zip 相提并論，F(xiàn)itbit Zip 雖然不打算跟蹤睡眠，但提供了相似的電池壽命和更有用的顯示。下一代 Shine 需要增加功能，同時(shí)又不違背他們對(duì)長期佩戴的承諾。

進(jìn)入 Ambiq Micro 的 Apollo MCU。Misfit Shine 2 中的 Apollo 是原版 Shine 中 EFM32 MCU 的兩倍，允許添加振動(dòng)馬達(dá)來進(jìn)行通話和短信通知；多色 LED 和電容式觸摸傳感器，提供更清晰、交互式的用戶界面；和一個(gè)磁力計(jì)，以提高活動(dòng)跟蹤的準(zhǔn)確性。得益于 Ambiq 的 SPOT 平臺(tái)，Apollo 還擁有行業(yè)領(lǐng)先的能效，減少了由附加功能帶來的功耗權(quán)衡，以保持 Shine 2 前身的六個(gè)月電池壽命。

最先進(jìn)的“日常”提供 Fitbit Alta，需要大約每五天收費(fèi)一次。］

但是，雖然 Apollo 與類似的 MCU 相比提供了無與倫比的功耗，但處理器并不是唯一可以延長電池壽命的地方。傳感器和無線芯片等其他組件也可以利用 Apollo MCU 上使用的亞閾值電路來降低功耗，并且可以優(yōu)化軟件以進(jìn)一步提高能效。

Ambiq 的首席技術(shù)官 Scott Hanson 認(rèn)為，“我們將不斷談?wù)撐覀冃枰绾谓档湍芎暮碗姵匦枰?。每個(gè)組件都需要比現(xiàn)在更高效。我們總是會(huì)承受這種壓力?！?/p>

亞閾值電壓電路揭秘

使 Apollo MCU 能夠?qū)崿F(xiàn)如此顯著的 ULP 性能指標(biāo)的是亞閾值電路的使用，該電路在低于典型 1.8V 或 3.3V MCU 閾值電壓的電源電壓下工作。閾值電壓表示將晶體管的狀態(tài)從“關(guān)”變?yōu)椤伴_”或出于邏輯目的驅(qū)動(dòng)信號(hào)“低”或“高”所需的最小柵源電壓。在標(biāo)準(zhǔn)的 1.8V 集成電路 （IC） 中，可能需要大量電流來執(zhí)行這些狀態(tài)變化，這與功耗直接相關(guān)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)能量（與打開或關(guān)閉晶體管相關(guān)的能量）是通過平方工作電壓來計(jì)算的 （圖 1 和 2）。

【圖1 | 典型的 1.8V IC 需要大量電流才能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變化。］

【圖2 | 動(dòng)態(tài)功耗，或打開或關(guān)閉晶體管所需的能量，是 IC 使用的大部分能量的原因，尤其是在更高的工作電壓下。］

然而，Ambiq 使用其亞閾值功率優(yōu)化技術(shù) （SPOT） 在低于 0.5V（亞閾值）的電壓下運(yùn)行晶體管，這提供了一些好處（圖 3）。首先，在這些較低工作電壓下的狀態(tài)切換有助于降低動(dòng)態(tài)能耗；其次，可以利用“關(guān)閉”晶體管的泄漏電流（見圖 2）來執(zhí)行大多數(shù)計(jì)算，實(shí)質(zhì)上是重新獲得以前失去的功率。對(duì)于 Ambiq 的基于 ARM Cortex-M4F 的 32 位 Apollo MCU，其運(yùn)行頻率高達(dá) 24 MHz，其結(jié)果是平臺(tái)消耗 34 μA/MHz 從閃存和低至 140 nA 的睡眠電流執(zhí)行，這兩者都是該公司表示，低于具有競(jìng)爭(zhēng)力的 Cortex-M0+ 產(chǎn)品。

【圖3 | Ambiq 的 SPOT 平臺(tái)在低于 0.5V 的亞閾值電壓下運(yùn)行晶體管，與標(biāo)準(zhǔn) IC 實(shí)施相比，實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能。］

“我們有效地做的是我們采用一個(gè)普通的微處理器，包括模擬元件和數(shù)字元件，并在低得多的電壓下運(yùn)行它們，”漢森解釋道。“在數(shù)字方面，我們將電壓調(diào)低到非常低的水平，介于 200 mV 和 600 mV 之間，具體取決于您使用的設(shè)備類型。這需要對(duì)芯片的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行系統(tǒng)范圍的改變，從標(biāo)準(zhǔn)單元到如何進(jìn)行仿真，再到如何進(jìn)行時(shí)間封裝，再到如何進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)——所有這些都必須進(jìn)行專門修改以在較低電壓下運(yùn)行。然后在模擬端，我們以極低的柵源電壓運(yùn)行，因此我們將在低至幾皮安的放大器中使用尾電流?！?/p>

然而，亞閾值電路并非沒有挑戰(zhàn)。雖然它可以在能源效率方面提供指數(shù)級(jí)增益，但這種低電壓操作會(huì)阻止處理器速度超過幾百 MHz（目前），并且還會(huì)使電路本身對(duì)溫度和電壓的波動(dòng)更加敏感（圖 4）。

“這顯然伴隨著一些問題，”漢森說?！拔覀儗?duì)溫度波動(dòng)、電壓波動(dòng)和工藝波動(dòng)非常敏感，但我們有相當(dāng)廣泛的技術(shù)可以用來解決這個(gè)問題，例如使用專有的模擬電路構(gòu)建模塊。你可以在教科書中讀到的每一個(gè)模擬電路都是基于飽和晶體管和雙極晶體管，而不是基于亞閾值的 MOSFET，因此我們不得不重新發(fā)明許多底層模擬電路構(gòu)建塊，以便它們?cè)跇O低的電壓下工作亞閾值電流。

【圖4 | 除了響應(yīng)亞閾值水平的工作電壓變化的指數(shù)電流波動(dòng)外，輕微的溫度變化也可能導(dǎo)致激進(jìn)的電流增量。這要求對(duì)亞閾值電路進(jìn)行重大補(bǔ)償。］

“在內(nèi)部，我們進(jìn)行了大量的電壓轉(zhuǎn)換以降低電壓，我們正在管理所有的工藝變化、電壓變化和溫度變化，結(jié)果顯著降低了能量，”Hanson 繼續(xù)說道。“沒有一顆靈丹妙藥。為了使亞閾值成為可能，我們做了很多事情?！?/p>

超過摩爾的

亞閾值電路和電壓優(yōu)化方面的進(jìn)步將變得更加普遍，因?yàn)槟柖衫^續(xù)支持更小的工藝節(jié)點(diǎn)，并且MOSFET 的柵源通道尺寸縮小，需要越來越低的電源電壓以及越來越小的閾值。隨著摩爾定律向物理極限邁進(jìn)，功耗將成為計(jì)算第一修正案的一項(xiàng)原則，如果不能取代它的話。

“我們?cè)谙到y(tǒng)級(jí)別看到 Ambiq 面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，隨著我們降低處理器的能源效率，微處理器對(duì)系統(tǒng)的整體貢獻(xiàn)已經(jīng)下降到客戶說，‘嘿，你將能量再減少 10 倍，這并沒有什么不同，因?yàn)槟阋呀?jīng)非常非常低了，‘”漢森說?！八麄冋嬲枰氖俏覀儗⒛芰拷档?10 倍，但他們需要相應(yīng)地提高性能才能利用這一點(diǎn)。也就是說，如果我將能量降低 10 倍，他們希望看到性能隨之提高 10 倍，這樣他們就可以保持相同的功率包絡(luò)但顯著提高處理能力。作為一家公司，我們非常關(guān)注這一點(diǎn)：我如何才能提高績效并繼續(xù)減少能源？

“我們?cè)?PC、筆記本電腦和手機(jī)的高性能計(jì)算行業(yè)看到了摩爾定律。我們看到摩爾定律引領(lǐng)我們每年都能提供更好、更令人難以置信的東西，因此我們可以添加更多功能，但我們有點(diǎn)卡在相同的外形尺寸、相同的電池壽命等方面，”漢森繼續(xù)說道?！拔覀儗⒖吹酵瑯拥氖虑榘l(fā)生在功耗上，這意味著我們將不斷地談?wù)撐覀內(nèi)绾涡枰總€(gè)組件中的更低能量?！?/p>

審核編輯：郭婷