芯片级节能迫在眉睫

日益凸显的能源危机像一轮冲击波正席卷全球，在未来数年内将给世界各国带来巨大的变化，分析数据显示，到2050年，全球的能源消耗量将是目前的两倍，达到220亿吨。电子工业在这场能源保卫战中也被推向了风口浪尖，“降低功耗”已经成为芯片厂商口中的一个高频词汇。

　　由GlobalPress主办的“第六届全球电子峰会”（ElectronicsSummit2008）在美国旧金山拉开序幕，来自美国的半导体厂商、EDA工具供应商、IP供应商的总裁或技术总监们与全球15个国家的50余名记者一起分享了电子工业的“芯”动向。

　　根据记者统计，为期4天的会议上，参加演讲的30家厂商中有80%以上都提到了节能降耗这个问题。大会的主题研讨“Power-ApproachestoDecreaseConsumption（功率:降低能耗的有效途径）”更是引起了大家的热情关注。

　　拿什么来拯救你

　　当手机、PDA、GPS、笔记本电脑等逐渐变成消费者的日用品时，功率成为大家关注的主要问题，谁也不希望自己的手持设备刚用了半天就得到处找地方充电，电池持续时间已经成为电子设备间竞争的一个重要指标。消费电子产品日益向便携式发展，需要在极小的空间以极低的功耗实现尽可能多的功能，消费者使用电子产品的时间和数量正在无休止地增长，而如何使各种电子设备效率更高、更省电就成了首要问题。

　　如果说消费电子市场中低能耗产品已经备受关注的话，那么在IT领域，面对无限扩张的数据，以及这些数据之间的流动和交换，能耗更显得至关重要。市场分析公司Gartner预计，到2008年底，全球一半的数据中心将会遇到能源危机，而它们所消耗能量的60%以上用于冷却设备。 

　　在Actel总裁兼首席执行官JohnEast先生的演讲中，他花费了超过一半的时间给大家描述能源危机带来的种种灾害。JohnEast介绍说:“2005年，仅美国就消耗了40550亿千瓦时的电力，能耗快速增长的很大一部分因素是计算机和通信的发展带来的。”

　　美国电力消耗中有1.2%用于互联网时代的新“农场”――“服务器农场”（serverfarms），例如，微软公司去年在华盛顿州中部的昆西所建的服务器农场就有数十万台服务器和大量的数据存储系统，据推测每天耗电4800万瓦特。这座“服务器农场”只是微软计划在昆西开设的六座数据中心之一，此前，在得克萨斯州的圣安东尼奥，微软已经有一个价值5.5亿美元的数据中心。谷歌、雅虎也正在全世界建设数据中心。不计其数的半导体芯片正在其中散发自己的热量，越来越多的“服务器农场”在吞噬着珍贵的能源。

　　虽然科学家们建议各国应尽可能多地采用风能、水能等环保能源及效能较高的核能，以缓解世界能源的危机，但这些技术的实现仍然需要一个过程。那么，就半导体产业来说，它该做出什么样的贡献？

　　“一个晶体管的价格从1971年的0.01美元降到了2007年的千万分之一美元，可是功率却也在指数级上升，降低功率已经成为半导体产业寻求创新的首要途径。”JohnEast如是说。便携和无线通信消费电子设备的功耗大小已经成为很多产品规范的主要技术指标，封装、稳定性和冷却成本也使得功耗成为更小尺寸工艺中的突出问题。特别是当设计转向45纳米以下工艺节点之后，功耗管理成为整个设计和制造链中的一个突出问题。

　　在低介电（low-k）绝缘电介质工艺、多核、High-K这些新锐技术一项一项完成后，我们是否更应关注功率问题的突破口呢？

　　在完成一套节能系统时，架构设计、软件、功能硬件、电源控制和管理之间有着怎样的相关性，又分别贡献了怎样的力量？参会的许多半导体厂商都在芯片级节能研究方面下够了功夫。

    ONSemiconductor（安森美半导体）公司音频方案部主管MichelDeMey认为:“在设计过程中，对应用的理解是关键。选择适当的半导体器件架构和开发流程、进行合理的软、硬件分割、采用合适的算法等在降低系统能耗方面都很重要。”这需要厂商在不同层次对产品进行整合。

　　Cadence开发的CadenceLow-PowerSolution就是一个将逻辑设计、验证和实现技术与Si2认可的CommonPowerFormat(CPF)相结合的完整流程。Cadence公司低功耗市场主管MohitBhatnagar分析说:“在数据中心和绿色网格中心，冷却成本正在超过设备本身，有一半的费用用于冷却这些半导体设备消耗的能量。”为降低芯片能耗，达到所需的功耗目标，设计团队越来越多地采用高级功率管理技术，例如多电压供应（MSV）和电源关断（PSO）。

　　节能系统不仅仅依赖于芯片设计，还与系统架构有关，新的体系架构能够在不增加进程的条件下减少能源消耗。“在数百万个小的芯片上，每一个细微的节能措施都能够让整体效果大不一样。”NationalSemiconductor（美国国家半导体）公司全球合作伙伴市场经理RickZarr说除了架构设计之外，电源控制技术也非常重要。现在的手机已经将通信、PDA、GPS、电视等功能集成在一起，便携式产品功能逐渐融合的趋势越来越明显。不同的半导体工艺需要不同的供电电压，形成多而广的输入电压，对电源管理提出新的挑战。要避免相互间的干扰，需要电源也随之改变，电源IC发挥的作用越来越大。几年前，电源IC还仅仅是集成稳压器件和DC/DC转换器，但现在电源IC涵盖很多内容，包括DC/DC、LDO（低压差线形稳压器）、电池充放电管理、PWM(脉宽调制)控制器等。

　　随着数据中心等高速应用数据吞吐量快速增大，功率管理和分配也需要实现更加智能化的控制，需要更多系统设计方法，实现更有效的软件/硬件分割。Intersil公司是电源管理IC领域的代表，其产品市场经理AndrewBaker认为:“一般来说电源优化包括按特定动能需求，将微处理器单元进行分离;针对系统不同应用，分离电源轨（powerrails）这种电源架构可以优化整体性能。从软件方面来说，在变换的模式下能对系统整体电源做实时管理的优化软件也非常重要。”    

　　EDA工具厂商Mentorgraphics公司也带来了自己的见解，其ESL-HDL总经理GlennPerry表示:“在电源分析运算中，监控电池状态并且调整性能可以延长电池使用时间。”随着芯片设计的日趋复杂，如何验证产品的性能和功耗，确认它们的表现符合原来的设计要求，已变成一个困难的挑战，Mentorgraphics公司提供了许多重要工具，让客户得以解决这方面的问题。”

　　研究数据显示，在服务器领域，DRAM电力消耗大约占系统总电量的25%，而手持设备领域，DRAM对它们的耗电量和电池使用寿命有更大影响。德国DRAM大厂奇梦达(Qimonda)公司的市场总监TomTrill认为:“低功耗对于电池供电设备、手机、音乐播放器以及其他移动多媒体设备来说是个必不可缺的要素，而存储器是系统功率设计中需要考虑的重要环节。”

　　作为单芯片FPGA解决方案的主要厂商，Actel公司也一直致力于从芯片和系统级层面降低功耗的研究。Actel的低功耗现场可编程门阵列FPGA系列IGLOOPLUS进一步扩展了可编程解决方案资源。Actel总裁兼首席执行官JohnEast充满自信地介绍说:“FPGAIGLOO在能耗方面不只是降低了几倍、几十倍、几百倍，而是改善了上千倍。”这种FPGA可以让智能手机等设备的电池使用寿命延长8～10倍。