【導(dǎo)讀】計(jì)世獨(dú)家：拿什么來拯救你，芯片節(jié)能     拿什么來拯救你  

    “降低功耗”已經(jīng)成為芯片廠商口中的一個(gè)高頻詞匯。 

    日益凸顯的能源危機(jī)像一輪沖擊波正席卷全球，在未來數(shù)年內(nèi)將給世界各國帶來巨大的變化，分析數(shù)據(jù)顯示，到2050年，全球的能源消耗量將是目前的兩倍，達(dá)到220億噸。電子工業(yè)在這場(chǎng)能源保衛(wèi)戰(zhàn)中也被推向了風(fēng)口浪尖，“降低功耗”已經(jīng)成為芯片廠商口中的一個(gè)高頻詞匯。 
     
    由Global Press主辦的“第六屆全球電子峰會(huì)”（Electronics Summit 2008）在美國舊金山拉開序幕，來自美國的半導(dǎo)體廠商、EDA工具供應(yīng)商、IP供應(yīng)商的總裁或技術(shù)總監(jiān)們與全球15個(gè)國家的50余名記者一起分享了電子工業(yè)的“芯”動(dòng)向，參加演講的30家廠商中有80%以上都提到了節(jié)能降耗這個(gè)問題。大會(huì)的主題研討“Power - Approaches to Decrease Consumption（功率: 降低能耗的有效途徑）”更是引起了大家的熱情關(guān)注。 

    拿什么來拯救你 

    當(dāng)手機(jī)、PDA、GPS、筆記本電腦等逐漸變成消費(fèi)者的日用品時(shí)，功率成為大家關(guān)注的主要問題，誰也不希望自己的手持設(shè)備剛用了半天就得到處找地方充電，電池持續(xù)時(shí)間已經(jīng)成為電子設(shè)備間競(jìng)爭的一個(gè)重要指標(biāo)。消費(fèi)電子產(chǎn)品日益向便攜式發(fā)展，需要在極小的空間以極低的功耗實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能，消費(fèi)者使用電子產(chǎn)品的時(shí)間和數(shù)量正在無休止地增長，而如何使各種電子設(shè)備效率更高、更省電就成了首要問題。 

    如果說消費(fèi)電子市場(chǎng)中低能耗產(chǎn)品已經(jīng)備受關(guān)注的話，那么在IT領(lǐng)域，面對(duì)無限擴(kuò)張的數(shù)據(jù)，以及這些數(shù)據(jù)之間的流動(dòng)和交換，能耗更顯得至關(guān)重要。市場(chǎng)分析公司Gartner預(yù)計(jì)，到2008年底，全球一半的數(shù)據(jù)中心將會(huì)遇到能源危機(jī)，而它們所消耗能量的60%以上用于冷卻設(shè)備。 

    在Actel總裁兼首席執(zhí)行官 John East先生的演講中，他花費(fèi)了超過一半的時(shí)間給大家描述能源危機(jī)帶來的種種災(zāi)害。John East介紹說: “2005年，僅美國就消耗了40550億千瓦時(shí)的電力，能耗快速增長的很大一部分因素是計(jì)算機(jī)和通信的發(fā)展帶來的?！?nbsp;

    美國電力消耗中有1.2%用于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新“農(nóng)場(chǎng)”——“服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)”（server farms），例如，微軟公司去年在華盛頓州中部的昆西所建的服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)就有數(shù)十萬臺(tái)服務(wù)器和大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，據(jù)推測(cè)每天耗電4800萬瓦特。這座“服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)”只是微軟計(jì)劃在昆西開設(shè)的六座數(shù)據(jù)中心之一，此前，在得克薩斯州的圣安東尼奧，微軟已經(jīng)有一個(gè)價(jià)值5.5億美元的數(shù)據(jù)中心。谷歌、雅虎也正在全世界建設(shè)數(shù)據(jù)中心。不計(jì)其數(shù)的半導(dǎo)體芯片正在其中散發(fā)自己的熱量，越來越多的“服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)”在吞噬著珍貴的能源。 

    雖然科學(xué)家們建議各國應(yīng)盡可能多地采用風(fēng)能、水能等環(huán)保能源及效能較高的核能，以緩解世界能源的危機(jī)，但這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)仍然需要一個(gè)過程。那么，就半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，它該做出什么樣的貢獻(xiàn)？ 

    “一個(gè)晶體管的價(jià)格從1971年的0.01美元降到了2007年的千萬分之一美元，可是功率卻也在指數(shù)級(jí)上升，降低功率已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尋求創(chuàng)新的首要途徑。” John East如是說。便攜和無線通信消費(fèi)電子設(shè)備的功耗大小已經(jīng)成為很多產(chǎn)品規(guī)范的主要技術(shù)指標(biāo)，封裝、穩(wěn)定性和冷卻成本也使得功耗成為更小尺寸工藝中的突出問題。特別是當(dāng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向45納米以下工藝節(jié)點(diǎn)之后，功耗管理成為整個(gè)設(shè)計(jì)和制造鏈中的一個(gè)突出問題。 

    在低介電（low-k）絕緣電介質(zhì)工藝、多核、High-K這些新銳技術(shù)一項(xiàng)一項(xiàng)完成后，我們是否更應(yīng)關(guān)注功率問題的突破口呢？ 

    芯片廠商各顯神通  

    在完成一套節(jié)能系統(tǒng)時(shí)，架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件、功能硬件、電源控制和管理之間有著怎樣的相關(guān)性，又分別貢獻(xiàn)了怎樣的力量？參會(huì)的許多半導(dǎo)體廠商都在芯片級(jí)節(jié)能研究方面下夠了功夫。 
ON Semiconductor（安森美半導(dǎo)體）公司音頻方案部主管Michel De Mey認(rèn)為: “在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)應(yīng)用的理解是關(guān)鍵。選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體器件架構(gòu)和開發(fā)流程、進(jìn)行合理的軟、硬件分割、采用合適的算法等在降低系統(tǒng)能耗方面都很重要。”這需要廠商在不同層次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行整合。 
Cadence開發(fā)的Cadence Low-Power Solution就是一個(gè)將邏輯設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)技術(shù)與Si2認(rèn)可的Common Power Format(CPF)相結(jié)合的完整流程。Cadence公司低功耗市場(chǎng)主管Mohit Bhatnagar分析說: “在數(shù)據(jù)中心和綠色網(wǎng)格中心，冷卻成本正在超過設(shè)備本身，有一半的費(fèi)用用于冷卻這些半導(dǎo)體設(shè)備消耗的能量?！睘榻档托酒芎模_(dá)到所需的功耗目標(biāo)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)越來越多地采用高級(jí)功率管理技術(shù)，例如多電壓供應(yīng)（MSV）和電源關(guān)斷（PSO）。 

    節(jié)能系統(tǒng)不僅僅依賴于芯片設(shè)計(jì)，還與系統(tǒng)架構(gòu)有關(guān)，新的體系架構(gòu)能夠在不增加進(jìn)程的條件下減少能源消耗。“在數(shù)百萬個(gè)小的芯片上，每一個(gè)細(xì)微的節(jié)能措施都能夠讓整體效果大不一樣?！?nbsp;National Semiconductor（美國國家半導(dǎo)體）公司全球合作伙伴市場(chǎng)經(jīng)理 Rick Zarr說。 

    除了架構(gòu)設(shè)計(jì)之外，電源控制技術(shù)也非常重要?，F(xiàn)在的手機(jī)已經(jīng)將通信、PDA、GPS、電視等功能集成在一起，便攜式產(chǎn)品功能逐漸融合的趨勢(shì)越來越明顯。不同的半導(dǎo)體工藝需要不同的供電電壓，形成多而廣的輸入電壓，對(duì)電源管理提出新的挑戰(zhàn)。要避免相互間的干擾，需要電源也隨之改變，電源IC發(fā)揮的作用越來越大。幾年前，電源IC還僅僅是集成穩(wěn)壓器件和DC/DC轉(zhuǎn)換器，但現(xiàn)在電源IC涵蓋很多內(nèi)容，包括DC/DC、LDO（低壓差線形穩(wěn)壓器）、電池充放電管理、PWM(脈寬調(diào)制)控制器等。  [!--empirenews.page--]

    隨著數(shù)據(jù)中心等高速應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量快速增大，功率管理和分配也需要實(shí)現(xiàn)更加智能化的控制，需要更多系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)更有效的軟件/硬件分割。Intersil公司是電源管理IC領(lǐng)域的代表，其產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Andrew Baker認(rèn)為: “一般來說電源優(yōu)化包括按特定動(dòng)能需求，將微處理器單元進(jìn)行分離; 針對(duì)系統(tǒng)不同應(yīng)用，分離電源軌（power rails）這種電源架構(gòu)可以優(yōu)化整體性能。從軟件方面來說，在變換的模式下能對(duì)系統(tǒng)整體電源做實(shí)時(shí)管理的優(yōu)化軟件也非常重要?！?nbsp;

    EDA工具廠商Mentor graphics公司也帶來了自己的見解，其ESL-HDL 總經(jīng)理Glenn Perry表示: “在電源分析運(yùn)算中，監(jiān)控電池狀態(tài)并且調(diào)整性能可以延長電池使用時(shí)間。” 隨著芯片設(shè)計(jì)的日趨復(fù)雜，如何驗(yàn)證產(chǎn)品的性能和功耗，確認(rèn)它們的表現(xiàn)符合原來的設(shè)計(jì)要求，已變成一個(gè)困難的挑戰(zhàn)，Mentor graphics公司提供了許多重要工具，讓客戶得以解決這方面的問題?！?nbsp;

    研究數(shù)據(jù)顯示，在服務(wù)器領(lǐng)域，DRAM電力消耗大約占系統(tǒng)總電量的25%，而手持設(shè)備領(lǐng)域，DRAM對(duì)它們的耗電量和電池使用壽命有更大影響。德國DRAM大廠奇夢(mèng)達(dá)(Qimonda)公司的市場(chǎng)總監(jiān)Tom Trill認(rèn)為:“低功耗對(duì)于電池供電設(shè)備、手機(jī)、音樂播放器以及其他移動(dòng)多媒體設(shè)備來說是個(gè)必不可缺的要素，而存儲(chǔ)器是系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)中需要考慮的重要環(huán)節(jié)?！?nbsp;

    作為單芯片F(xiàn)PGA 解決方案的主要廠商，Actel 公司也一直致力于從芯片和系統(tǒng)級(jí)層面降低功耗的研究。Actel的低功耗現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA系列IGLOO PLUS進(jìn)一步擴(kuò)展了可編程解決方案資源。Actel總裁兼首席執(zhí)行官 John East充滿自信地介紹說: “FPGA IGLOO在能耗方面不只是降低了幾倍、幾十倍、幾百倍，而是改善了上千倍?！?nbsp;這種FPGA可以讓智能手機(jī)等設(shè)備的電池使用壽命延長8～10倍。