我們大多數(shù)人已經(jīng)習(xí)慣于每天（如果不是每小時(shí)）與無(wú)處不在的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行交互。從健身追蹤器、智能吸塵器和半自動(dòng)駕駛汽車到每天早上叫醒我們的智能家居設(shè)備，不可否認(rèn)，物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 熱潮已經(jīng)擴(kuò)散到我們生活的方方面面。在這一時(shí)刻的核心，觸手可及的連接是強(qiáng)大的云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，它們依靠物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)有線和無(wú)線通道，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或數(shù)據(jù)中心傳輸大量信息的能力而蓬勃發(fā)展。

許多具有上下文感知和響應(yīng)能力的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，但近年來(lái)，相互通信和連接到云的實(shí)踐釋放了新的潛力。根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，2019 年聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量為 226 億臺(tái)，預(yù)計(jì)到 2025 年將增長(zhǎng)到 750 億臺(tái)——考慮到屆時(shí)預(yù)計(jì) 180 澤字節(jié)的數(shù)據(jù)消耗，這是可預(yù)見的軌跡。

隨著消費(fèi)者期望物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得越來(lái)越緊湊和即時(shí)響應(yīng)，片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)計(jì)工程師通常需要在連接性、安全性、個(gè)性化和傳感器處理等功能之間做出艱難的選擇，以換取可接受的電池壽命。

全面的 IP 解決方案和持續(xù)的創(chuàng)新周期來(lái)開發(fā)能夠處理高效數(shù)據(jù)處理、在超小型尺寸中茁壯成長(zhǎng)并支持多種無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)的芯片，對(duì)于團(tuán)隊(duì)將低功耗洞察力融入他們的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如今，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在探索過(guò)去設(shè)計(jì)中預(yù)留的幾個(gè)選項(xiàng)，以盡可能提高設(shè)計(jì)的功率效率和性能。也就是說(shuō)，我們才剛剛開始了解每種此類技術(shù)的潛力。

繼續(xù)閱讀以了解更多關(guān)于低功耗設(shè)計(jì)的需求、要考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)、擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以及為什么普遍連接將推動(dòng)下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

為互聯(lián)世界而設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)的美妙之處在于，它使設(shè)備能夠在不受設(shè)備位置影響的情況下交換數(shù)據(jù)，并以以前無(wú)法想象的方式進(jìn)行控制。過(guò)去，物理接近是插入式機(jī)械或電氣設(shè)備功能協(xié)作的關(guān)鍵先決條件。這種依賴于距離的連接限制了可以控制設(shè)備的位置和方式的范圍。今天，具有先進(jìn)通信能力的微處理器已經(jīng)創(chuàng)建了更大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并用大量“邊緣設(shè)備”取代了剛性物理系統(tǒng)的障礙。

傳統(tǒng)上，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的唯一目標(biāo)是降低成本而不是功耗。雖然降低功耗一直很重要，但當(dāng)面臨降低成本作為壓倒一切的優(yōu)先事項(xiàng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員將被迫繞過(guò)降低功耗技術(shù)以滿足預(yù)算要求。另一方面，當(dāng)今垂直排列的系統(tǒng)公司將降低功耗視為對(duì)總擁有成本的好處。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，能源消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單位芯片成本，因此他們優(yōu)先考慮低功耗，并利用其與高性能和高效處理的結(jié)合，而不僅僅是降低硅成本——徹底改變了功耗游戲。總之，低功耗、延長(zhǎng)電池壽命、

人工智能 (AI) 等智能技術(shù)的進(jìn)步使團(tuán)隊(duì)能夠縮小特定任務(wù)的范圍并優(yōu)化每一瓦的功率。

將需要多種人工智能算法和額外的靈活性來(lái)處理來(lái)自新興市場(chǎng)的需求。這將使系統(tǒng)工程師能夠更深入地了解芯片如何針對(duì)功率進(jìn)行優(yōu)化，并將權(quán)衡平衡從終極靈活性和難以置信的低成本轉(zhuǎn)向靈活性和低功耗。

對(duì)低功耗設(shè)計(jì)的需求

世界各地的公司都在推動(dòng)便攜式、手持式和電池供電小工具的更多特性和功能。通過(guò)降低功耗來(lái)延長(zhǎng)電池壽命是此類產(chǎn)品的關(guān)鍵差異化因素，對(duì)其最終應(yīng)用至關(guān)重要。

從本質(zhì)上講，低功耗設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡可能減少動(dòng)態(tài)和靜態(tài)組件的功耗。開關(guān)和短路功率構(gòu)成動(dòng)態(tài)功率，而靜態(tài)功率由在沒有信號(hào)活動(dòng)時(shí)流過(guò)電路的泄漏電流組成。這些功率組件中的每一個(gè)的值都與頻率、峰值電流、電壓、轉(zhuǎn)換時(shí)間、泄漏電流、容性負(fù)載和開關(guān)活動(dòng)等因素直接相關(guān)。

電壓值越高，每個(gè)組件消耗的功率就越多。為了在消耗最少功率的同時(shí)獲得所需的性能，通過(guò)各種低功耗技術(shù)和方法來(lái)測(cè)試這些因素中的每一個(gè)的權(quán)衡，以滿足激進(jìn)的市場(chǎng)需求。

在決定插入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是否需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)或散熱器時(shí)，提高設(shè)備從關(guān)閉/睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟/活動(dòng)狀態(tài)所需的時(shí)間成為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，從而增加了電力成本。例如，升級(jí)使用并行系統(tǒng)的服務(wù)器群中的 IC 可以顯著節(jié)省電力和成本，因?yàn)槭褂玫膯蝹€(gè)芯片對(duì)系統(tǒng)有重大影響。

過(guò)去，采購(gòu)團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)是找到降低芯片成本和整合連接性的最佳方法——由于支持這些類型的需求需要額外的內(nèi)存和外圍設(shè)備，因此成功實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù).

隨著人工智能的普及，我們預(yù)計(jì)更多特定于應(yīng)用程序的任務(wù)將為 SoC 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供優(yōu)化特定設(shè)計(jì)功能和組件的機(jī)會(huì)。與智能手機(jī)市場(chǎng)不同，這些設(shè)計(jì)必須對(duì)多種應(yīng)用具有吸引力，以確保數(shù)量足以證明設(shè)計(jì)投資的合理性，從而降低成本。

關(guān)鍵的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備內(nèi)部的底層芯片從根本上執(zhí)行三個(gè)關(guān)鍵功能：傳感、處理和通信。引起業(yè)界對(duì)低功耗設(shè)計(jì)重新燃起興趣的原因是市場(chǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有高性能、長(zhǎng)電池壽命和移動(dòng)性的需求不斷增長(zhǎng)。

在針對(duì)低功耗進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用多種技術(shù)：

• 時(shí)鐘門控：在邏輯綜合期間執(zhí)行，其中具有“啟用”輸入的觸發(fā)器被優(yōu)化為時(shí)鐘門控結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)通過(guò)減少對(duì)多個(gè)多路復(fù)用器的需求來(lái)節(jié)省大量面積，并通過(guò)減少整體開關(guān)活動(dòng)來(lái)最小化動(dòng)態(tài)功耗。
• 多電壓域：通過(guò)這種技術(shù)，芯片的功能根據(jù)性能特征分為不同的電壓域塊。然后，底層設(shè)計(jì)會(huì)考慮芯片的哪個(gè)區(qū)域需要更高的電壓才能運(yùn)行，而不是整個(gè)區(qū)域都被歸類為高性能。這有助于降低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗。
• 電源門控：與芯片/系統(tǒng)級(jí)的多電壓方法類似，IC 內(nèi)的功能根據(jù)其電源域分為塊。電源門控有效地完全關(guān)閉了一個(gè)模塊的電源，從而實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)節(jié)能。
• 寄存器保留：這種方法通常與電源門控技術(shù)結(jié)合使用。當(dāng)塊關(guān)閉時(shí)，塊中的觸發(fā)器子集或所有觸發(fā)器都保存其先前的值，然后在打開時(shí)恢復(fù)。這通過(guò)縮短恢復(fù)模塊原始狀態(tài)所需的時(shí)間和步驟以及改善整體加速時(shí)間來(lái)節(jié)省電力。

除了上述方法并結(jié)合使用它們之外，還有許多更先進(jìn)的技術(shù)，例如工藝節(jié)點(diǎn)選擇、選擇定制處理器以獲得更高效的功能、良好的偏置、零引腳保持觸發(fā)器、耦合系統(tǒng)的不同部分、動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放 (DVFS)，以及自適應(yīng)電壓和頻率縮放 (AVFS)。例如，許多現(xiàn)代處理器具有使用較低電壓和電源門控的模塊，并具有隔離、保持和電平轉(zhuǎn)換器。

最新的無(wú)線連接解決方??案

今天，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有許多無(wú)線連接協(xié)議可供選擇，每種協(xié)議都針對(duì)不同的應(yīng)用提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

有些基于低吞吐量無(wú)線技術(shù)（如低功耗藍(lán)牙）的技術(shù)因其降低功耗和成本的附加功能而需求增加，同時(shí)保持與經(jīng)典藍(lán)牙版本相似的范圍。

Zigbee 和 Thread 等基于 IEEE 802.15.4 的協(xié)議在短距離內(nèi)提供低數(shù)據(jù)速率連接，并且與其他專有協(xié)議一起顯然正在獲得動(dòng)力。雖然不同的標(biāo)準(zhǔn)可能提供不同的管理標(biāo)準(zhǔn)和功能，包括安全性、定位服務(wù)和音頻，但從根本上說(shuō)，它們都支持對(duì)更大帶寬和更多設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)的日益增長(zhǎng)的需求。幾乎所有最新的 SoC 設(shè)計(jì)都在以創(chuàng)紀(jì)錄的速度采用更新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，例如在擁擠區(qū)域提供更快速度和更好性能的 Wi-Fi 6。

隨著 Wi-Fi 6E 和 Wi-Fi 7 的未來(lái)承諾，在與以前不同的更高速度和帶寬下，創(chuàng)新和采用的空間很大，從而對(duì)低功耗提出了新的要求。

使用高質(zhì)量 IP 加速物聯(lián)網(wǎng) SoC 設(shè)計(jì)成功

客戶可以通過(guò)多種選擇來(lái)評(píng)估最大化吞吐量的方法，從而使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在功耗、面積、成本或性能之間進(jìn)行權(quán)衡。從處理器、編譯器、RAM、基礎(chǔ) IP 到接口 IP，所有東西都具有斷電功能和不同的權(quán)衡，需要根據(jù)最終應(yīng)用加以考慮。

多年來(lái)，Synopsys 一直走在通過(guò)Synopsys DesignWare? IP提供全面 IP 解決方案的最前沿，使 SoC 團(tuán)隊(duì)能夠更快地滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的要求，并顯著降低風(fēng)險(xiǎn)。該產(chǎn)品組合包括經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證的有線和無(wú)線接口 IP、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、安全 IP、低功耗嵌入式存儲(chǔ)器和邏輯庫(kù)、節(jié)能處理器內(nèi)核和集成 IP 子系統(tǒng)。

我們?cè)?IP 質(zhì)量和全面技術(shù)支持方面的廣泛投資也拓寬了我們的整體客戶市場(chǎng)，讓更多客戶能夠采用最適合他們需求的工具?；谧钚碌呐渲煤托袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們繼續(xù)支持行業(yè)對(duì) PCIe、USB 和 DDR 等高速協(xié)議的需求，同時(shí)也為高級(jí)物聯(lián)網(wǎng) SoC 設(shè)計(jì)提供最高級(jí)別的安全性。

概括

隨著我們目睹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的更多進(jìn)步和便攜式設(shè)備的擴(kuò)展功能，5G 網(wǎng)絡(luò)的日益部署以及對(duì)人工智能和自動(dòng)化的興趣將需要團(tuán)隊(duì)投資于改進(jìn)的 SoC 設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和定制工具。

無(wú)處不在的連接顯然將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)路線圖，并對(duì)尋找有效方法來(lái)提高世界各地城市的運(yùn)營(yíng)效率、能源使用和整體生活質(zhì)量產(chǎn)生更大的影響。通過(guò)繼續(xù)優(yōu)先考慮物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗設(shè)計(jì)和延長(zhǎng)電池壽命，擔(dān)心每天為智能設(shè)備充電可能已成為過(guò)去。

審核編輯：符乾江