您知道嗎，全球數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)耗電量高達(dá)數(shù)百太瓦時(shí)（TWH），占全球總用電量的1-2%。移動數(shù)據(jù)傳輸需求不斷飆升，全球各地?cái)?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)所消耗的能源也隨之增加。因此，移動網(wǎng)絡(luò)的性能需要優(yōu)化，吞吐量要求也需要降低。

我們往往會忽略與數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊校ㄔ贫耍┪恢孟嚓P(guān)的“隱藏”成本及數(shù)據(jù)存儲成本。為了降低能耗，我們可以考慮在本地處理數(shù)據(jù)，而不是通過云網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和/或通信。這樣就可以在不同的物理位置處理數(shù)據(jù)，無論是邊緣（傳感器）、云端，還是中間的各個(gè)位置?；颈镜?cái)?shù)據(jù)之間、之外，還將進(jìn)行多個(gè)過程吸收來自物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、本地?cái)?shù)據(jù)中心、小區(qū)站點(diǎn)等來源的數(shù)據(jù)。

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圖1：2018-2028年全球月移動數(shù)據(jù)流量（信息來源：ericsson.com）

圖1展示了數(shù)據(jù)傳輸（消耗的電力占全球總耗電量的1-2%）在未來幾年的上升。這意味著，除非用電量大幅降低，通信和計(jì)算將占據(jù)全球用電量的更大份額。這就為增加數(shù)據(jù)本地化處理提供了動力。將數(shù)據(jù)處理分散到其他地點(diǎn)，可以優(yōu)化能源的總體使用——更多的系統(tǒng)采用“邊緣處理”模式。邊緣處理可帶來更多的好處，如增強(qiáng)隱私和數(shù)據(jù)保護(hù)，但如何才能實(shí)現(xiàn)呢？

應(yīng)對邊緣處理挑戰(zhàn)

節(jié)約能源還有更多意義。邊緣處理是正確的方向，但仍然需要從眾多部署方案中做出選擇。應(yīng)用映射愈發(fā)復(fù)雜，卻也帶來了更多的樂趣。幾十年前，嵌入式微控制器和處理器都由帶有相應(yīng)I/O的單一CPU構(gòu)成。在這種環(huán)境下，算法在哪里運(yùn)行一目了然：它們都在同一個(gè)CPU上執(zhí)行。

如今情況已大不相同：現(xiàn)代化嵌入式處理器（如恩智浦i.MX產(chǎn)品系列）既有CPU，也有圖形處理單元（GPU）、神經(jīng)處理單元（NPU）、信號處理單元（DSP）及各種硬件加速器。將應(yīng)用映射到可用的芯片上成為了有趣的挑戰(zhàn)。是想在CPU、GPU、NPU、DSP上運(yùn)行算法還是想在加速器上運(yùn)行算法？請注意系統(tǒng)的軟件復(fù)雜性是如何增加的。

能耗優(yōu)化是設(shè)計(jì)和制造邊緣處理器件時(shí)需要考慮的另一個(gè)方面。這就需要平衡動態(tài)能耗。動態(tài)能耗會受到多種因素的影響，例如CPU頻率、工作負(fù)載、其他加速器的使用情況、外部存儲器的數(shù)據(jù)流量、系統(tǒng)組件的使用狀態(tài)（如顯示器和背光）、Wi-Fi等連接方式以及環(huán)境溫度等。靜態(tài)能耗是指芯片中通電而不受門控控制的部分，也就是處理單元執(zhí)行的操作。

探索如何在SoC設(shè)計(jì)中進(jìn)一步降低能耗至關(guān)重要。在邊緣降低能耗意味著需要優(yōu)化在邊緣使用的芯片的能耗。該圖展示了隨著時(shí)間的推移，為降低能耗在芯片和系統(tǒng)方面開發(fā)的各種機(jī)制。

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圖2：SoC設(shè)計(jì)中降低能耗的機(jī)會，從晶體管到系統(tǒng)層面

系統(tǒng)和芯片設(shè)計(jì)中的能耗優(yōu)化

在實(shí)踐中，優(yōu)化能耗是打造卓越系統(tǒng)和芯片設(shè)計(jì)工作流程的重要一環(huán)。恩智浦除了高能效i.MX 7ULP和i.MX 8ULP等獨(dú)特SoC外，還在使用場景中優(yōu)化芯片的不同電源模式。我們的能效應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了各種能效方法，這些方法可以通過我們的BSP SW（廣泛的支持包軟件）來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用筆記還可向客戶提供有用的部署指導(dǎo)。

此外，我們重點(diǎn)關(guān)注如何通過共同設(shè)計(jì)PMIC在系統(tǒng)級別盡可能簡化設(shè)備的整體電源管理。我們還采用低能耗DRAM（LP4、LP4X、LP5），降低系統(tǒng)級能耗（較低的工作電壓和待機(jī)時(shí)自刷新模式等）。

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部署和生命周期中的節(jié)能策略

人們非常關(guān)注設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)化，包括設(shè)備架構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造和系統(tǒng)開發(fā)，以及產(chǎn)品的開發(fā)。但目前許多產(chǎn)品在市場上的使用壽命比較短。消費(fèi)者每隔幾年就要進(jìn)行一次升級，使用新的硬件。這造成了浪費(fèi)，但也是改進(jìn)的機(jī)會。

除了使用硬件設(shè)備外，消費(fèi)者還可以利用設(shè)備日益增強(qiáng)的軟件能力來最大限度地延長其使用壽命。隨著時(shí)間的推移，升級軟件可以提供更多功能，從而延長產(chǎn)品的使用壽命。要支持這一概念，就需要滿足安全要求的龐大生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)備只需加載必要軟件。恩智浦在這方面也進(jìn)行了大量的開發(fā)工作。

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圖3：現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器機(jī)架

更進(jìn)一步——未來的展望

本博文從芯片行業(yè)的角度探討了可持續(xù)發(fā)展的幾個(gè)方面。首先，文章介紹了邊緣和云之間通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。其次，描述了SoC芯片的工作負(fù)載優(yōu)化及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后，還簡要地討論了生命周期管理，這是延長設(shè)備市場使用壽命的必要條件。

恩智浦半導(dǎo)體致力于打造更環(huán)保的世界，文中列舉了其在多個(gè)方面開展的工作。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要跨行業(yè)的合作。在半導(dǎo)體界，大多數(shù)工程工作仍然專注于短期性能優(yōu)化目標(biāo)，卻沒有明確針對能耗或長期可持續(xù)性進(jìn)行優(yōu)化。要扭轉(zhuǎn)這種局面，必須改變思維方式。

本文作者

Wim Rouwet是恩智浦半導(dǎo)體公司的一位杰出技術(shù)人員。Wim專注于3GPP LTE和5G以及802.11處理協(xié)議棧及其應(yīng)用方案，負(fù)責(zé)與多個(gè)無線基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目有關(guān)的4G和5G協(xié)議棧開發(fā)、小基站以及CRAN應(yīng)用方案。