条条道路通节能 节能的挑战与机遇在何处

EDA工具

　　产业合作促SoC功耗巨大降低

　　系统级设备是能耗的最终体现者。但是设计时需要从多个层次考虑。Cadence公司低功耗市场行销总监Mohit Bhatnagar认为功耗需要从4个层次设计：服务器中心和绿色电网；系统和软件；半导体技术；SoC设计。

　　其中SoC是重中之重。因为每在服务器上节约1W，如果考察一下AC-DC、DC-DC变换中出现的损耗、冷却，则总的系统能量的节约可以达到2.73W的水平。因此，SoC可以带来将近3倍的功耗降低。

　　多电源电压、关机功能、电源电压缩放等方面可以带来10～20倍的功耗降低。那么它是否会带来一些不利影响？我们考察系统架构到RTL级的SoC设计，它可以揭示系统的影响。但在2～4年前，所采用的设计流程方法影响是很强的。所以设计者要问的一个基本问题是，我们如何获得所需的时序、性能和功耗，而不至于降低产出率和延长上市时间？如何避免不必要的风险。好消息是，多种类型的公司们联手起来了。Cadence就发起组织了Power Forward Initiative(PFI)联盟，它是由IP公司、EDA工具厂商、Foundry(代工厂)公司、IC用户组成的联盟。许多成功案例告诉我们，我们可以在SoC设计中实现巨大的功耗降低。例如，联盟中的一家日本公司发现通过附加3种产出率的改进措施，功耗可以降低40%。NXP、Freescale、NEC、TSMC等公司都是该联盟的成员，而且设计出了先进的电源部件。我们是否能获得真正绿色的电子产品、真正的SoC？其功耗降低30%，总的系统成本可以降低40%~50%？我们的回答是，完全可以克服相应的风险，并实现巨大的功耗降低。
　　
　　SoC功耗设计的黄金模型

　　在SoC系统设计方面，现在还有一些人们几乎未涉足的领域，而这些领域将对降低功耗产生最大的推动作用。幸运的是，人们现在已经拥有大量针对这一领域的设计工具。Mentor Graphics的ESL(电子系统级)-HDL(硬件描述语言)部门总经理Glenn Perry介绍了系统级设计需要考虑的方方面面。

　　系统架构方面的改进将带来巨大的好处，不过在EDA界，人们只有在设计的较晚阶段才使用功耗仿真工具，如门级和物理实现级。那为何不在系统级进行这些工作？原因主要包括：

　　第一， 这样做所花费的成本和相应的折中。要实现这一点，就需要一个运行速度极快的仿真平台，足以运行所需的软件，因为我们也提到了软件、硬件和系统设计的影响和相互关系。

　　第二， 关系到模型的精度。如果你不能精确地预测其功耗特性，则世界上最快的仿真也没有多大裨益。你无法或者很难知道你的器件的功耗，除非具体地将其实现，因为功耗与许多实际因素有关。近年来，技术也取得了巨大进展，可以提供transaction(事务)层次直至ESL层次的精确模型。有些工具可以帮助用户提取非常精确的模型，在门级和transcaction级可以达到5%~10%以内。这是一个巨大的进展。没有人愿意对其设计两次建模，一旦在SystemC和标准C中建模后，还要在RTL中建模。

　　第三， 我们的机会是如何利用这些模型来作为“黄金”模型，进行测试平台的校验。如今在市场上进行的验证方法学方面的进展，都采用了某种“黄金”模型，而这些模型是系统分析方面的需求推动下生成的。

处理器

　　DSP算法和架构的优化

　　由于动态功耗的公式是p=Cv2f，低功耗是否意味着低电压既可？安森美高级听力/音频解决方案总监Michel De Mey认为功耗的高低不仅取决于你是否用1.0V还是1.2V，更取决于算法的速度。如果你采用了运算密集的算法，使内核达到50%~60%的负载，可以让性能提高3倍；如果你对内核进行20%的加载，则性能也可以提高2倍。

　　另外，功耗也取决于整体架构。例如为耳机等靠极少的电池供电的微型音频用低功耗DSP，在设计滤波时，你可以在时域或频域滤波。如果你能在频域实现滤波，就可以将功耗降低10倍。这可不是从哪里挤出20%来，而是从体系架构上进行创新，从而达到如此之高的比例。

　　按此原则，安森美的第二代DSP—Belasigna 300与前代产品Belasigna 250比较(如图2)，两种产品的硬件都执行同样的功能，区别在于分属不同的技术节点，采用了不同的DSP架构，另外，安森美还优化了内存技术，降低了内存的电压，而且让存储变得更为分布化一些；采用了新的模拟和数字IP、新的设计方法学、以及新的EDA工具。

图2 安森美优化设计后的BelaSigna300 DSP功耗比前代产品大大降低

　　采用可配置的特殊应用处理器

　　通常认为，多核设计与单核的性能优化二者协同作用，才能带来处理器能耗大幅降低(图3)。因此Tensilica多年来一直倡导在SoC中进行可配置多核设计，并且致力于单核优化，据Tensilica公司的总裁兼CEO Chris Rowen博士称，该公司处理器核功耗是其竞争对手的1/3。

图3 特殊应用处理器对改进性能和降低功耗帮助最大

　　Tesilica采取的具体方法是：

　　●优化指令。Tensilica每个优化指令效率相当于普通的5~50个RISC指令；

　　●处理器核数量增加，每个核是“特殊应用处理器”，其尺寸更小，每个小核完成专门的功能，例如有的做无线通信、有的管协议，有的处理视频，有的执行音频……；在整体SoC设计时，如果需要一个主处理控制功能，主处理控制核可以是Tensilca的，也可以是其它公司的，例如ARM或MIPS等公司的。

Chris Rowen博士
Tensilica公司的总裁兼CEO

　　除此之外，在处理器核接口方面，Tensilca的Xtensa处理器核有更多的指定内存(memory-mapped)I/O和直接连接选择。建模和模拟工具Xenergy Energy Explorer在结构上进行了突破，融合了建模和分析，软件开发和调试等。

燃料电池及材料

　　燃料电池即将在便携式产品中出现

　　随着每个便携式电子产品的功能越来越多，因此耗电量也越来越大。普通电池容量已经成为捉襟见肘，同时带着电池充电器和导线也很麻烦。此时，燃料电池浮出水面，它的续航时间更长，充电时用一个燃料筒定期补充甲醇既可。目前燃料电池正在着手商品化，并有望于2009年在手机等手持产品中出现。

图4 越来越多的人使用便携产品，便携电源用量上升

　　在燃料电池研制方面，MTI和杜邦公司等非常活跃。MTI专利的Mobion技术目标应用是手持式产品，例如手机、MP3播放器、游戏机、数码相机等。MTI的CEO Peng K. Lim说在燃料电池的应用方面会分两步走：首先，手持产品中既可以用锂电池，也可以用燃料电池替代；下一步，市场上出现单一的燃料电池供电方案。目前，韩国三星电子已经在手机及附件方面与MTI公司合作，Gellette Duracell公司开始了全球分销工作。

Peng K. Lim
MTI公司CEO

　　MTI 采用直接甲醇燃料电池(DMFC)系统，Mobion技术的特点是采用100%甲醇作为燃料，因此用电时间更长。其燃料电池工作在0~40℃，非常适合消费类电子市场。

　　俗话说“巧妇难为无米之炊”，为MTI提供DMFC技术的是Polyfuel公司。除了手持应用，Polyfuel更看好燃料电池在笔记本电脑上的应用前景。CEO Jim Balcom说，预计今年年底之前笔记本型的参考设计和样机就要出来，之后的12个月实现产品化。因此2010年前后，笔记本电脑就会用上燃料电池。

Polyfuel公司CEO Jim Balcom

参考文献：

　　1.  山水，‘走马游硅谷，观花看技术’，电子产品世界，2008,2.
　　
　　2.  迎九，‘重视IP和软件，步伐更加激进’，电子产品世界，2008,2.

　　3.  王莹，‘45nm机遇、挑战和新的协作模型’，电子产品世界，2007,12