【導讀】計世獨家：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高頻詞匯。 

    日益凸顯的能源危機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，達到220億噸。電子工業(yè)在這場能源保衛(wèi)戰(zhàn)中也被推向了風口浪尖，“降低功耗”已經(jīng)成為芯片廠商口中的一個高頻詞匯。 
     
    由Global Press主辦的“第六屆全球電子峰會”（Electronics Summit 2008）在美國舊金山拉開序幕，來自美國的半導體廠商、EDA工具供應商、IP供應商的總裁或技術總監(jiān)們與全球15個國家的50余名記者一起分享了電子工業(yè)的“芯”動向，參加演講的30家廠商中有80%以上都提到了節(jié)能降耗這個問題。大會的主題研討“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注。 

    拿什么來拯救你 

    當手機、PDA、GPS、筆記本電腦等逐漸變成消費者的日用品時，功率成為大家關注的主要問題，誰也不希望自己的手持設備剛用了半天就得到處找地方充電，電池持續(xù)時間已經(jīng)成為電子設備間競爭的一個重要指標。消費電子產(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現(xiàn)盡可能多的功能，消費者使用電子產(chǎn)品的時間和數(shù)量正在無休止地增長，而如何使各種電子設備效率更高、更省電就成了首要問題。 

    如果說消費電子市場中低能耗產(chǎn)品已經(jīng)備受關注的話，那么在IT領域，面對無限擴張的數(shù)據(jù)，以及這些數(shù)據(jù)之間的流動和交換，能耗更顯得至關重要。市場分析公司Gartner預計，到2008年底，全球一半的數(shù)據(jù)中心將會遇到能源危機，而它們所消耗能量的60%以上用于冷卻設備。 

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

    美國電力消耗中有1.2%用于互聯(lián)網(wǎng)時代的新“農(nóng)場”——“服務器農(nóng)場”（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器農(nóng)場就有數(shù)十萬臺服務器和大量的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，據(jù)推測每天耗電4800萬瓦特。這座“服務器農(nóng)場”只是微軟計劃在昆西開設的六座數(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)有一個價值5.5億美元的數(shù)據(jù)中心。谷歌、雅虎也正在全世界建設數(shù)據(jù)中心。不計其數(shù)的半導體芯片正在其中散發(fā)自己的熱量，越來越多的“服務器農(nóng)場”在吞噬著珍貴的能源。 

    雖然科學家們建議各國應盡可能多地采用風能、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，但這些技術的實現(xiàn)仍然需要一個過程。那么，就半導體產(chǎn)業(yè)來說，它該做出什么樣的貢獻？ 

    “一個晶體管的價格從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)級上升，降低功率已經(jīng)成為半導體產(chǎn)業(yè)尋求創(chuàng)新的首要途徑?！?nbsp;John East如是說。便攜和無線通信消費電子設備的功耗大小已經(jīng)成為很多產(chǎn)品規(guī)范的主要技術指標，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。特別是當設計轉(zhuǎn)向45納米以下工藝節(jié)點之后，功耗管理成為整個設計和制造鏈中的一個突出問題。 

    在低介電（low-k）絕緣電介質(zhì)工藝、多核、High-K這些新銳技術一項一項完成后，我們是否更應關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，架構(gòu)設計、軟件、功能硬件、電源控制和管理之間有著怎樣的相關性，又分別貢獻了怎樣的力量？參會的許多半導體廠商都在芯片級節(jié)能研究方面下夠了功夫。 
ON Semiconductor（安森美半導體）公司音頻方案部主管Michel De Mey認為: “在設計過程中，對應用的理解是關鍵。選擇適當?shù)陌雽w器件架構(gòu)和開發(fā)流程、進行合理的軟、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?！边@需要廠商在不同層次對產(chǎn)品進行整合。 
Cadence開發(fā)的Cadence Low-Power Solution就是一個將邏輯設計、驗證和實現(xiàn)技術與Si2認可的Common Power Format(CPF)相結(jié)合的完整流程。Cadence公司低功耗市場主管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備本身，有一半的費用用于冷卻這些半導體設備消耗的能量?！睘榻档托酒芎?，達到所需的功耗目標，設計團隊越來越多地采用高級功率管理技術，例如多電壓供應（MSV）和電源關斷（PSO）。 

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

    除了架構(gòu)設計之外，電源控制技術也非常重要。現(xiàn)在的手機已經(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越來越明顯。不同的半導體工藝需要不同的供電電壓，形成多而廣的輸入電壓，對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)中心等高速應用數(shù)據(jù)吞吐量快速增大，功率管理和分配也需要實現(xiàn)更加智能化的控制，需要更多系統(tǒng)設計方法，實現(xiàn)更有效的軟件/硬件分割。Intersil公司是電源管理IC領域的代表，其產(chǎn)品市場經(jīng)理Andrew Baker認為: “一般來說電源優(yōu)化包括按特定動能需求，將微處理器單元進行分離; 針對系統(tǒng)不同應用，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系統(tǒng)整體電源做實時管理的優(yōu)化軟件也非常重要。” 

    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間?！?nbsp;隨著芯片設計的日趨復雜，如何驗證產(chǎn)品的性能和功耗，確認它們的表現(xiàn)符合原來的設計要求，已變成一個困難的挑戰(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。” 

    研究數(shù)據(jù)顯示，在服務器領域，DRAM電力消耗大約占系統(tǒng)總電量的25%，而手持設備領域，DRAM對它們的耗電量和電池使用壽命有更大影響。德國DRAM大廠奇夢達(Qimonda)公司的市場總監(jiān)Tom Trill認為:“低功耗對于電池供電設備、手機、音樂播放器以及其他移動多媒體設備來說是個必不可缺的要素，而存儲器是系統(tǒng)功率設計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)級層面降低功耗的研究。Actel的低功耗現(xiàn)場可編程門陣列FPGA系列IGLOO PLUS進一步擴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可以讓智能手機等設備的電池使用壽命延長8～10倍。