全新的“智能功率”

　　未來幾年人們看待高科技界的方式將會(huì)發(fā)生巨大變化。我們現(xiàn)在剛開始認(rèn)識(shí)到：電子工業(yè)將成為解決全球變溫問題的一個(gè)主角。到目前為止，企業(yè)都在談?wù)摻档湍芎挠?jì)劃，但其實(shí)能夠做的還有很多。從“智能功率”(Power Smart) 芯片和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，到形成整個(gè)電子工業(yè)的能效指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，新的功率范例要求電子工業(yè)承擔(dān)降低能耗的責(zé)任，從而提高能效，最終降低溫室氣體排放。

　　“功率”概念正在變化

　　在上世紀(jì)90年代，談到“功率”時(shí)，都是指為某一系統(tǒng)提供功率，或者說向一塊PC板卡提供電壓和電流。而對(duì)大多數(shù)人來說，“低功耗”也只涉及一些對(duì)功耗在乎的產(chǎn)品，而且很多都只是紙上談兵，通常成功率甚微。

　　半導(dǎo)體器件的功耗有兩種基本形式，即動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗 。靜態(tài)功耗是部件不做任何有用工作時(shí)的功耗，而動(dòng)態(tài)功耗　則是器件主動(dòng)工作時(shí)的功耗。直到最近，動(dòng)態(tài)功耗都是整個(gè)功耗的主要部分。器件電源電壓 (Vcc) 曾一度借助于動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)，以及工藝尺寸的減小和系統(tǒng)電壓的降低而不斷降低，但這種繼續(xù)降低的日子已不復(fù)存在。此外，越來越小的集成電路 (IC) 工藝尺寸加劇了電流泄漏，使器件功耗大幅增加。隨著泄漏電流的加劇，靜態(tài)功耗開始成為功耗的主要部分，成為人們最關(guān)心的問題 (圖1)。

 　　上世紀(jì)90年代的另一個(gè)巨大變化是電子產(chǎn)品大量進(jìn)入我們的生活中。過去，我們都使用筆和紙來交流、通信，傳遞信息。今天，我們都使用Apple iPhone和 Palm Treo智能電話之類的電子設(shè)備。隨著便攜電子設(shè)備的不斷發(fā)展，人們?cè)絹碓讲辉敢赓徺I那些需要插接在電源插座上的設(shè)備 (如臺(tái)式PC)。今天我們使用的臺(tái)式PC會(huì)把提供給它的功率浪費(fèi)近一半，并且增加功率成本；可以說是我們需要低功耗產(chǎn)品的一個(gè)很好的反面例子。

　　不幸的是，為電子設(shè)備供電需要發(fā)電，而發(fā)電所產(chǎn)生的溫室氣體排放對(duì)全球變暖這個(gè)嚴(yán)重問題的影響高得驚人。根據(jù)聯(lián)合國2007年5月的報(bào)告，即使采取強(qiáng)有力的抑制措施，到本世紀(jì)末全球平均溫度也將升高多達(dá)華氏11度。

　　因此，業(yè)界各電子廠家都在討論如何降低從芯片到系統(tǒng)的整個(gè)統(tǒng)一體的能耗，希望有助于環(huán)境保護(hù)。盡管電子業(yè)界已采取了一些環(huán)保措施 (如無鉛及RoHS標(biāo)準(zhǔn))，但還是未能充分地解決功率問題。電子器件中有少量鉛的確是個(gè)問題，但其影響較之于由全球溫度失控變暖而造成的災(zāi)難還是很輕微的。

　　值得注意的是，到目前為止美國環(huán)?？偸?(EPA) 還沒有針對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)定Energy Star 標(biāo)準(zhǔn)。雖然這些半導(dǎo)體產(chǎn)品直接影響Energy Star評(píng)級(jí)產(chǎn)品的能效和管理，但業(yè)界一直未形成一個(gè)確定“低功耗”IC功效基準(zhǔn)的方法。如果針對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品提出功耗要求，就可最大限度地降低板卡、系統(tǒng)和最終產(chǎn)品的功耗，從而提高功效和減少溫室氣體。

　　顯然，這個(gè)問題的解決方案有一部分握在電子行業(yè)手中。有了當(dāng)今的智能功率技術(shù)，業(yè)界能夠做到的更多。業(yè)界承擔(dān)這個(gè)責(zé)任是必需的，責(zé)無旁貸。新的“功率”概念意味著從芯片到系統(tǒng)整個(gè)統(tǒng)一體降低功耗的協(xié)同作戰(zhàn)。

　　智能功率芯片

　　依賴電池供電的便攜設(shè)備設(shè)計(jì)人員現(xiàn)正面臨一個(gè)可怕的挑戰(zhàn)，即消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品尺寸更小、功能更豐富、電池壽命更長、價(jià)格更低及推出產(chǎn)品的周期更短等永無止境的追求。電池壽命延長意味著消費(fèi)者的擁有成本降低。如果智能電話的電池壽命能正常供電6個(gè)小時(shí)，又如果鋰離子電池通常在充電300次~500次后才需要“破費(fèi)地”被更換，那么，如果能將電池壽命由6小時(shí)延長到數(shù)周或數(shù)月，這樣的產(chǎn)品豈不是更有吸引力？

　　便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員過去依賴于面向特定應(yīng)用集成電路 (ASIC) 實(shí)現(xiàn)其低功耗目標(biāo)。但ASIC固有某些負(fù)累，即掩模工藝昂貴和開發(fā)周期較長。設(shè)計(jì)人員的另一個(gè)選擇是可編程邏輯解決方案，尤其是基于SRAM技術(shù)的可編程邏輯器件，這種器件縮短了開發(fā)周期，但也有不足之處，如靜態(tài)功耗高。事實(shí)上，當(dāng)今市場(chǎng)上的一些所謂“低功耗”FPGA和CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件) 的電流消耗達(dá)30mA，這通常比典型便攜應(yīng)用所能容忍的耗電高出1個(gè)~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　基于SRAM技術(shù)的器件在上電啟動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電涌，導(dǎo)致額外的電池消耗或造成系統(tǒng)初始化失敗。不僅如此，由于基于SRAM技術(shù)的FPGA的晶體管密度極高，半導(dǎo)體工藝尺寸每次縮小，其靜態(tài)功耗都會(huì)增加；這是因?yàn)槌叽缈s小后，量子隧道效應(yīng)和亞閾值區(qū)漏電之類的問題變得越發(fā)嚴(yán)重；這對(duì)面向便攜應(yīng)用的器件是個(gè)實(shí)實(shí)在在的挑戰(zhàn)。如果采用那些利用 Flash 技術(shù)來配置SRAM內(nèi)容的新型SRAM解決方案，功率問題還會(huì)更加復(fù)雜，雖然這種解決方案在市場(chǎng)上稱之為基于 Flash 的器件，但還是需要在耗電巨大的SRAM FPGA上額外增加一些電路。

　　幸好，現(xiàn)在已有真正的 Flash可編程邏輯技術(shù)。由于基于 Flash的非易失性FPGA不需要數(shù)百萬個(gè)耗電的SRAM存儲(chǔ)位來配置數(shù)據(jù)，其靜態(tài)功耗較之于基于SRAM的解決方案低很多，因而是低功耗應(yīng)用的理想器件。事實(shí)上，市面上有一些基于 Flash 的FPGA是專門針對(duì)低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。這類FPGA的靜態(tài)功耗僅為5mW，提供更高的復(fù)雜性及更多功能，而且較之于CPLD，其靜態(tài)功耗降低了四分之一，更可在便攜應(yīng)用中延長電池壽命達(dá)5倍。

　　Actel以 Flash 為基礎(chǔ)IGLOO系列FPGA的功耗是當(dāng)今最好的SRAM FPGA的1% ~ 0.1%。降低2個(gè)~3個(gè)量級(jí)的靜態(tài)功耗意味著電池可應(yīng)對(duì)數(shù)周到數(shù)月的待機(jī)運(yùn)行。就電池供電的便攜應(yīng)用開發(fā)而言，基于 Flash 的器件還有一些其它優(yōu)點(diǎn)，包括能夠迅速恢復(fù)工作狀態(tài)的靈活節(jié)能模式、低動(dòng)態(tài)功耗及時(shí)鐘管理功能。

　　智能功率芯片不僅功耗低，還可以智能化方式控制和降低整體系統(tǒng)功耗 。例如，混合信號(hào)Actel Fusion可編程系統(tǒng)芯片可將FPGA邏輯與其它用于系統(tǒng)管理的元件 (如Flash、模擬電路、微控制器及時(shí)鐘管理電路) 集成在一起。這種集成產(chǎn)品能減少板卡上的部件，降低整體功耗及部件材料成本，同時(shí)還可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)的功率管理。

　　智能功率系統(tǒng)

　　通常在設(shè)計(jì)某種系統(tǒng)時(shí)，都會(huì)設(shè)定功耗指標(biāo)。然而，當(dāng)設(shè)計(jì)人員能“大概”滿足這個(gè)指標(biāo)后，通常都不會(huì)再盡力改進(jìn)設(shè)計(jì)，因而留下功耗缺陷的隱憂。由于電子設(shè)備的產(chǎn)量往往多達(dá)數(shù)億，每個(gè)設(shè)備多浪費(fèi)幾瓦就意味著巨大的能源浪費(fèi)，加上汽油價(jià)格上漲，最終會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。不幸的是，一般很難跟蹤每個(gè)部件的功耗或電壓，使得消除器件的多余功耗的工作變得非常困難。而且，在系統(tǒng)工作時(shí)，也幾乎無法測(cè)量這些電壓、電流和溫度，使得判別系統(tǒng)何時(shí)出現(xiàn)問題的工作更為復(fù)雜。

　　越來越多新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，如ATCA (高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu))、MicroTCA以及智能平臺(tái)管理接口 (IPMI)，表明我們需要系統(tǒng)層面和企業(yè)層面的功率管理。這些應(yīng)用需要實(shí)時(shí)測(cè)量電壓、電流和溫度及發(fā)現(xiàn)問題的能力；記錄和交換這些測(cè)量數(shù)據(jù)的能力；以及適時(shí)采取糾正措施的能力。畢竟，僅僅知道電源提供了多余的電流或板卡溫度太高是無用的，還需要采取措施來糾正。

　　系統(tǒng)管理過去采用多芯片解決方案來實(shí)現(xiàn)。這類設(shè)計(jì)需額外增加10個(gè)~15個(gè)芯片，即耗費(fèi)財(cái)力，又占用寶貴的板卡空間，還要額外耗電，因此實(shí)在不算是一種“解決方案”。多芯片方案還要耗費(fèi)可觀且通常是稀缺的工程技術(shù)資源?？墒?，業(yè)界卻無視這些可觀的成本，在管理和控制系統(tǒng)功耗方面一直努力甚少。

　　在意識(shí)到“全能普適”是世界上最大的謊言后，人們似乎明白需要采用現(xiàn)場(chǎng)可編程解決方案。使用基于 Flash 技術(shù)的單芯片現(xiàn)場(chǎng)可編程器件是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單及低成本系統(tǒng)管理解決方案的最好方法。這種具有上電即用的器件在市場(chǎng)已有供應(yīng)，能減少系統(tǒng)的部件數(shù)量，并完成系統(tǒng)功率管理。由于具有現(xiàn)場(chǎng)可編程能力，這種靈活的器件還能輕松滿足各種獨(dú)特需求，并可應(yīng)對(duì)項(xiàng)目、系統(tǒng)、板卡和工程師的需求變更。采用非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的混合信號(hào)Actel Fusion 可編程系統(tǒng)芯片則進(jìn)一步降低了工程技術(shù)資源需求，是包括軟件和硬件的完整解決方案。

　　而且，由于這種芯片集成了必要的管理功能 (如啟動(dòng)和上電順序管理、功率管理)，因此系統(tǒng)成本得以降低。構(gòu)建智能功率系統(tǒng)的前期投入少，運(yùn)行成本也大幅降低。由于每年節(jié)省1W的能量就會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行成本節(jié)省1美元~2美元，在企業(yè)層面開發(fā)高成本效益的功率管理解決方案就能節(jié)省數(shù)量驚人的能量，從而節(jié)省大量金錢，而且，更重要的是對(duì)環(huán)境還有極大好處。

　　智能功率解決方案一例

　　電機(jī)在當(dāng)今生活中幾乎無處不在，從電梯到家用電器。2005年，美國的電力消耗為40550億千瓦小時(shí)。其中50% 以上用于電機(jī)消耗，即達(dá)到驚人的2萬億千瓦小時(shí)。不幸的是，許多使用中電機(jī)的效率都很低，將供應(yīng)的電能浪費(fèi)了一大部分。

　　隨著半導(dǎo)體工藝和集成度的提高，混合信號(hào)FPGA開始成為實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的重要替代產(chǎn)品。這類集成度高、靈活性強(qiáng)的平臺(tái)能提供電機(jī)控制所需的大多數(shù)資源，且集成在低成本的單芯片器件上。采用FPGA替代固定邏輯產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員能夠靈活地實(shí)現(xiàn)針對(duì)應(yīng)用的最高效設(shè)計(jì)，并可將相同器件用于不同的電機(jī)。

 　　小型AC交流電機(jī)的效率可能會(huì)低到50%。雖然，隨著電機(jī)尺寸增加，其效率也增加到90%以上，但仍然還有提高效率和降低能耗的空間。通過引入智能化的負(fù)載匹配技術(shù)或變頻控制技術(shù)，可以提高電機(jī)在整個(gè)速度范圍的功效。采用可重編程混合信號(hào)FPGA和用軟件方式優(yōu)化的微控制器 (如ARM7或ARM Cortex-M1處理器)，就可以在許多類型的電機(jī)上達(dá)到這個(gè)目的，而且實(shí)現(xiàn)成本對(duì)大多應(yīng)用都具有吸引力。事實(shí)上，在最佳情況下采用此技術(shù)，電機(jī)效率可接近95%；如果大規(guī)模應(yīng)用，美國年度能耗便可降低3,000億千瓦小時(shí)，即節(jié)省數(shù)十億美元，并減少溫室排放氣體1.8億噸（圖2）。

　　結(jié)論

　　近20年來，功率的概念已發(fā)生巨大變化。同時(shí)，各種電子設(shè)備大量涌現(xiàn)。可悲的是， 為這些電子設(shè)備供電而發(fā)電所產(chǎn)生的溫室氣體排放，對(duì)全球變暖造成的影響高得驚人。

　　業(yè)界各電子廠家都在討論如何降低能耗，希望這樣會(huì)有助于環(huán)境保護(hù)，但其實(shí)我們能夠做到的更多。無論是智能功率芯片和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還是形成整個(gè)電子工業(yè)的能效指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。新的功率范例要求電子工業(yè)承擔(dān)降低能耗的責(zé)任，從而提高能效，最終減少溫室氣體排放。