续航无界，芯片低功耗的革命从电源开始？
续航无界，芯片低功耗的革命从电源开始？
续航无界，芯片低功耗的革命从电源开始？
随着科技的迭代，人们对便捷式电子产品功能也“日益多化”，在此背景下，复杂的功能会导致功耗增加。
低功耗设计已成为芯片研发的重要方向之一，旨在通过优化电路设计、电源管理策略及动态调整技术，实现性能与功耗之间的最佳平衡，从而延长电池使用时间，提升用户体验。
信息通信技术应用的电力需求增长
众所周知，芯片的功耗主要由动态功耗与静态功耗两部分组成，动态功耗是指信号发生改变时所消耗的功耗，静态功耗信号没有改变时所消耗的功耗； 当然，功耗本质上就是电学术语中的功率，不同于一般简单的电学器件，芯片的整体功耗很难通过简单的电流，电压或者电阻值的的相乘来计算。
静态功耗使用不同的低功耗模式，对芯片内部不同组件的时钟或电源实行按需开关等：
例如，大多数处理器具有多种节电模式，在空闲与睡眠模式下可以关闭部分模块的时钟信号来禁用内部电路或模块，也可以在某些节电模式下通过切断或降低供电电压实现节能目的。
动态功耗则是根据芯片所运行的应用程序针对计算能力的不同需要，动态调节芯片的运行频率和电压，从而达到最大化节能的目的。
对微处理器来说，内核电压可以根据内部时钟频率与“工作负载”调节到最低与最高电压之间的任何电压值，这种方法称为动态电压调节(DVS)。
与此同时，动态功耗由开关功耗和短路功耗组成，其开关功耗是电路负载电容充放电时消耗的功耗，而短路功耗是电路逻辑状态变化时流过PMOS管-NMOS管的短路电流消耗的功耗。
开关功耗的原因
其中，反相器输出从0变为1时，通过PMOS管对负载电容充电。从1变为0时，通过NMOS管对负载电容放电。因此，动态功耗与电源电压、电容负载、时钟频率和开关活动有关。
其次，在早期CMOS技术中，泄漏电流很小，但随着晶体管尺寸和阈值电压减小，泄漏功耗增大，有时甚至达到动态功耗水平。
另外，晶体管只要接通电源，就会产生泄漏电流，减慢或停止时钟不能降低泄漏功耗，只有降低或关闭电源电压才能减少或消除泄漏功耗。
因此，在半导体制造工艺的尖端演进历程中，功耗问题逐渐成为了制约设计性能的关键因素。
功耗与电源电压的平方成正比
尤其，电源开关是一种降低功耗的技术，它允许在芯片中的特定部分暂时不需要工作时，通过切断其电源供应来显著降低功耗。
例如，在手机芯片中，当手机处于待机模式时，可以关闭语音处理模块。当用户拨打或接听电话时，语音处理模块必须从断电状态“唤醒”。需注意的是，电源控制是一个逻辑块，用于确定何时断电和上电，打开和关闭电源需要一定的时间和功耗成本，因此电源控制器应确定合适的断电时间。
电源开关策略称为粗粒度策略
但，电源开关可以显著降低总体功耗，因为它既降低了静态功耗又降低了动态功耗。但它也带来了一些其他挑战，包括需要电源控制、电源开关网络、隔离单元（isolation cells）和保留寄存器（retention registers）等。
同时，采用多阈值CMOS（MTCMOS）工艺的高阈值晶体管作为电源开关是因为它们可以最大限度地减少泄漏功耗，并且它们的开关速度不是非常关键；PMOS开关可以放置在VDD和模块的电源引脚之间，NMOS开关可以放置在VSS和模块接地引脚之间。
因此，在信号从断电模块传输到always-on模块时，需要使用隔离单元（isolation cells）；隔离单元可以在断电模块断电时向always-on模块提供一个固定的逻辑值，从而避免可能产生的泄漏电流。
综上所述，相关电控，电储能技术的突破，为芯片创造更为高效的供应解决方案，以确保设备在长时间运行及复杂应用场景下仍能维持卓越的稳定与可靠性，确保设备长时间运行无虞。
图源：Google
多场景适应性：在复杂应用场景下，如物联网设备、智能穿戴设备、医疗电子等，芯片需面对多种不同的工作模式和功耗需求；通过采用先进的功耗管理技术和灵活的电源控制策略，芯片能够自适应地调整其工作状态和功耗水平，以满足不同场景下的需求。
高可靠性和稳定性：在长时间运行和复杂环境中，芯片需保持高可靠性和稳定性；这要求芯片设计过程中充分考虑各种潜在的风险因素，并采取相应的防护措施。