清華大學(xué)電子工程系電路與系統(tǒng)研究所與日本羅姆公司合作研制出世界上第一款微秒級(jí)喚醒速度的低功耗“非易失處理器THU1010N”。該處理器由清華大學(xué)完成設(shè)計(jì)，使用羅姆公司先進(jìn)的鐵電-CMOS混合制造工藝進(jìn)行流片，能夠在掉電的情況下保存實(shí)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)快速的休眠和喚醒。該項(xiàng)成果即將發(fā)表于2012年9月在法國(guó)召開(kāi)的歐洲固態(tài)電路會(huì)議(ESSCRIC)上，并獲得了2012年度低功耗電子設(shè)計(jì)年會(huì)(ISLPED)的最佳設(shè)計(jì)競(jìng)賽獎(jiǎng)。

開(kāi)辟處理器應(yīng)用新模式

相對(duì)于傳統(tǒng)處理器，非易失處理器芯片具備如下特性與優(yōu)勢(shì)：

一是掉電狀態(tài)保持。該處理器能夠在掉電發(fā)生時(shí)將實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)和計(jì)算數(shù)據(jù)保存在鐵電存儲(chǔ)單元中，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，上電后從掉電前的斷點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。

二是零待機(jī)功耗。該處理器可以在待機(jī)時(shí)完全關(guān)斷電源，實(shí)現(xiàn)零功耗待機(jī)模式。

三是微秒級(jí)的休眠喚醒。由于采用分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，該處理器可以在斷電前后的幾微秒時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有狀態(tài)與數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)。與目前市場(chǎng)上其他處理器相比，該速度提高了數(shù)千至數(shù)萬(wàn)倍，休眠與喚醒可以在瞬間完成。

四是適應(yīng)新的供電模式。由于具備高速休眠喚醒的特性，使得該處理器能適應(yīng)間斷的、不穩(wěn)定的能量環(huán)境，諸如交流供電、脈沖供電這些新的供電模式。將其與基于振動(dòng)、電磁波的能量采集系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)需電池可連續(xù)工作的計(jì)算系統(tǒng)。

非易失處理器上述優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)非易失技術(shù)的革新與成熟，同時(shí)也離不開(kāi)與非易失技術(shù)相配套的電路設(shè)計(jì)和體系架構(gòu)研究。為了實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的休眠喚醒速度，該非易失處理器添加了自定時(shí)的控制模塊，實(shí)現(xiàn)了并行的鐵電單元讀寫(xiě)控制。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外界掉電的快速反應(yīng)，處理器中加入了高速、高可靠性的電壓監(jiān)測(cè)模塊。同時(shí)該處理器支持易失與非易失的狀態(tài)切換，支持一定程度的在線調(diào)試，為芯片投入實(shí)際應(yīng)用提供了很好的支持。

非易失處理器的提出，將開(kāi)辟大量處理器應(yīng)用的新型模式。目前，研究小組將其應(yīng)用在無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中。不同于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感網(wǎng)具有能量受限、環(huán)境復(fù)雜、以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)。對(duì)于這些特點(diǎn)，非易失處理器將比傳統(tǒng)處理器更易滿足無(wú)線傳感網(wǎng)的需求。

首先，在該節(jié)點(diǎn)中非易失處理器與能量采集(諸如太陽(yáng)能，振動(dòng)等)系統(tǒng)相結(jié)合，采取自供能的方式，可以消除節(jié)點(diǎn)對(duì)電池的依賴(lài)，解決能量瓶頸。

其次，該節(jié)點(diǎn)的電源魯棒性使其能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，完成多樣化監(jiān)控任務(wù)。

最后，采用非易失處理器的節(jié)點(diǎn)能針對(duì)突發(fā)狀況快速備份實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟失，滿足傳感網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)較高的需求。目前研究組已設(shè)計(jì)完成基于太陽(yáng)能的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用原型，并開(kāi)始評(píng)估其投入到橋梁和健康監(jiān)控等實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)。

拓展微型體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用

非易失處理器下一步的應(yīng)用是面向醫(yī)療電子領(lǐng)域的微型體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

2008年～2011年間便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)始終保持20%以上的增長(zhǎng)率，應(yīng)用前景樂(lè)觀。非揮發(fā)處理器芯片具備功耗小、面積小、成本低、無(wú)需電池供電的特點(diǎn)，十分適用于微型臨床醫(yī)療和家用健康產(chǎn)品。微型體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將從人體和周?chē)h(huán)境吸收能量，用于檢測(cè)人的血壓、血糖、體溫等諸多生理指標(biāo)，并通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)等終端設(shè)備。

為了滿足體域網(wǎng)的相關(guān)需求，研究小組擬解決下述關(guān)鍵問(wèn)題：

一是節(jié)點(diǎn)的小型化。為了實(shí)現(xiàn)1立方厘米大小的節(jié)點(diǎn)，就要提高系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)。研究組將在節(jié)點(diǎn)SoC、3D封裝、小型傳感器方面展開(kāi)相關(guān)研究。

二是能量效率。由于不采用電池供電，且來(lái)自身體及周?chē)h(huán)境的能量有限，因此能量采集系統(tǒng)的能量效率就非常重要。研究組將研究更高效、多方式的能量采集方案。

兩大問(wèn)題亟待解決

非易失處理器是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的前沿研究課題，目前仍存在以下的問(wèn)題需要解決。

一方面問(wèn)題來(lái)自非易失器件本身。與傳統(tǒng)CMOS器件不同，大部分非易失器件的讀寫(xiě)存在不對(duì)稱(chēng)性和統(tǒng)計(jì)性，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的讀寫(xiě)控制電路進(jìn)行補(bǔ)償。為了解決此類(lèi)問(wèn)題，除了改良非易失器件相關(guān)特性外，如何設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)的讀寫(xiě)電路，并得到較高的補(bǔ)償效果是該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)。其次，幾乎所有的非易失器件的寫(xiě)入次數(shù)都是有限的，而在處理器運(yùn)行時(shí)，寄存器的讀寫(xiě)頻率卻是很高的，因此如何解決壽命問(wèn)題也是非易失處理器面臨的主要挑戰(zhàn)。

另一方面問(wèn)題來(lái)自非易失觸發(fā)器電路。目前非易失觸發(fā)器的面積是傳統(tǒng)CMOS觸發(fā)器的2到4倍，簡(jiǎn)單的替換將造成較高的面積代價(jià)和成本提升。為了解決面積問(wèn)題，研究組提出了一種壓縮備份架構(gòu)，有效地減少了備份數(shù)據(jù)所需非易失觸發(fā)器的數(shù)目。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)面積的優(yōu)化，還有很多體系架構(gòu)、系統(tǒng)軟件以及應(yīng)用模式等方面的關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。

在處理器芯片方面，將在第一版芯片的基礎(chǔ)上，面向自供能的傳感網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)集成，設(shè)計(jì)包含能量采集、數(shù)字基帶、射頻前端的SoC芯片，并將非易失技術(shù)應(yīng)用在相關(guān)模塊中。預(yù)計(jì)未來(lái)1～2年內(nèi)完成第一版自供能的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)SoC芯片，并提供給物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)和評(píng)估。

在應(yīng)用系統(tǒng)方面，目標(biāo)定位在毫米級(jí)自供能無(wú)線體域傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。面向無(wú)線體域網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)集成。解決傳感器、能量收集器、節(jié)點(diǎn)封裝、天線的小型化等技術(shù)難題。預(yù)計(jì)未來(lái)2～3年內(nèi)完成第一版微型無(wú)線體域傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，并以產(chǎn)學(xué)研合作的模式，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。