如何实现低功耗的物联网芯片设计

在智能手表、自动驾驶、物流追踪器等等屡见不鲜的时代，无法否认物联网（IoT）已经占据了我们生活的几乎每个方面。对即时信息处理的一切需求已经达到了历史最高点，而且没有放缓的迹象。

这些物联网设备的核心是随时随地的云计算和机器学习，这些过程通过连接实现，需要连接互联网交互大量信息。虽然物联网设备成为技术领域的一部分已经有一段时间了，但正是它们与云的连接揭示了指数级增长的可能。

然而，芯片设计者不得不面对的核心问题是，消费者现在期望一个不断降低成本的创新周期，希望他们的物联网设备越来越紧凑，并能即时响应。由于这些要求，芯片设计者不得不做出艰难的决定，在连接性、个性化和传感器处理等重要功能上做出妥协，所有这些都是为了在特定成本目标下获得足够的电池寿命。

今天，设计团队正在研究各种途径，以开发具有架构的设备，这些架构可以支持多种无线连接标准，促进最佳的电源效率，并提供额外的价值，比如增加一些人工智能决策能力。这促使人们采用了某些行业已经使用了几十年的额外的降功耗技术，但以前这些技术的成本对绝大多数的SoC来说是难以承受的。

在全球范围内，各公司正在为我们日常使用的便携式小工具开发额外的特性和功能。这些产品成功的一个关键差异化因素是通过减少复杂处理任务的功耗来改善电池寿命。

在物联网边缘设备内部，底层芯片执行三个主要功能：传感、处理和通信。导致业界对低功耗设计重新产生兴趣的原因是，市场对物联网设备具有高性能、长电池寿命和移动性的需求不断增加。

从根本上说，低功耗设计的目标是尽可能地减少功耗的动态和静态部分。这些功率成分的每一个值都与频率、峰值电流、电压等因素直接相关。为了在消耗最少功率的同时获得最佳的性能，需要通过各种低功耗技术和方法来测试这些因素中的每一个妥协，以满足不断增长的市场需求。

在开发低功耗设计时，有多种方法可供选择。

- 多电压域。通过这个过程，芯片的操作元件被分配到各种电压域块中，取决于性能特征。而不是将整个区域归类为高性能，设计有助于帮助芯片具体布局，哪个区域需要更高的电压才能正常工作。

- 电源门控。根据它们的功率域，集成电路内的功能被划分为不同的块，这与多电压方法很相似。基本上是完全关闭一个区块的电源，从而节省了静态和动态电源。

- 寄存器保留。在这种技术中，无论是块中的一个子集还是所有的子集，当块被关闭时，它们以前的值被保存下来；当打开时，这些值被恢复。通过缩短恢复原始状态所需的时间和步骤，这改善了整体的唤醒时间，并节省了电力。这种方法通常与电源门控技术同时使用。

- 时钟门控。通过减少整体的开关活动和对多路复用器的需求，时钟门控减少了使用的动态功率，并节省了大量的面积。

除了上述低功耗设计方法外，还需要对压缩的人工智能算法进行有效管理，这些算法可能提供较少的灵活性和准确性，但功率却低得多。这种转变改变了物联网设计领域，并彻底改变了关于功率的设计流程，因为硬件和软件协同设计变得更加普遍。

为了解决世界上对即时连接、增加移动性和日益增加的人工智能部署的渴望，公司将不得不投资于升级的SoC设计技术、设计优化和定制工具，用特定的IP硬件和软件对系统进行建模。

物联网设计路线图将增强运营效率，这可能会推迟下一代成本的降低，但显然会给用户带来重大价值。