加速物联网设计：万物智能时代的低功耗设计

我们大多数人已经习惯于每天（如果不是每小时）与无处不在的技术生态系统进行交互。从健身追踪器、智能吸尘器和半自动驾驶汽车到每天早上叫醒我们的智能家居设备，不可否认，物联网(IoT) 热潮已经扩散到我们生活的方方面面。在这一时刻的核心，触手可及的连接是强大的云计算和机器学习技术，它们依靠物联网通过有线和无线通道，通过互联网或数据中心传输大量信息的能力而蓬勃发展。

许多具有上下文感知和响应能力的物联网设备已经存在了相当长的一段时间，但近年来，相互通信和连接到云的实践释放了新的潜力。根据IDC的数据，2019 年联网设备数量为 226 亿台，预计到 2025 年将增长到 750 亿台——考虑到届时预计 180 泽字节的数据消耗，这是可预见的轨迹。

随着消费者期望物联网设备变得越来越紧凑和即时响应，片上系统 (SoC) 设计工程师通常需要在连接性、安全性、个性化和传感器处理等功能之间做出艰难的选择，以换取可接受的电池寿命。

全面的 IP 解决方案和持续的创新周期来开发能够处理高效数据处理、在超小型尺寸中茁壮成长并支持多种无线连接标准的芯片，对于团队将低功耗洞察力融入他们的设计至关重要。如今，设计团队正在探索过去设计中预留的几个选项，以尽可能提高设计的功率效率和性能。也就是说，我们才刚刚开始了解每种此类技术的潜力。

继续阅读以了解更多关于低功耗设计的需求、要考虑的关键设计技术、扩展物联网应用的挑战和机遇，以及为什么普遍连接将推动下一代物联网设计。

为互联世界而设计

物联网的美妙之处在于，它使设备能够在不受设备位置影响的情况下交换数据，并以以前无法想象的方式进行控制。过去，物理接近是插入式机械或电气设备功能协作的关键先决条件。这种依赖于距离的连接限制了可以控制设备的位置和方式的范围。今天，具有先进通信能力的微处理器已经创建了更大的物联网系统，并用大量“边缘设备”取代了刚性物理系统的障碍。

传统上，物联网设计团队的唯一目标是降低成本而不是功耗。虽然降低功耗一直很重要，但当面临降低成本作为压倒一切的优先事项时，设计人员将被迫绕过降低功耗技术以满足预算要求。另一方面，当今垂直排列的系统公司将降低功耗视为对总拥有成本的好处。对他们来说，随着时间的推移，能源消耗远远超过单位芯片成本，因此他们优先考虑低功耗，并利用其与高性能和高效处理的结合，而不仅仅是降低硅成本——彻底改变了功耗游戏。总之，低功耗、延长电池寿命、

人工智能 (AI) 等智能技术的进步使团队能够缩小特定任务的范围并优化每一瓦的功率。

将需要多种人工智能算法和额外的灵活性来处理来自新兴市场的需求。这将使系统工程师能够更深入地了解芯片如何针对功率进行优化，并将权衡平衡从终极灵活性和难以置信的低成本转向灵活性和低功耗。

对低功耗设计的需求

世界各地的公司都在推动便携式、手持式和电池供电小工具的更多特性和功能。通过降低功耗来延长电池寿命是此类产品的关键差异化因素，对其最终应用至关重要。

从本质上讲，低功耗设计的目标是尽可能减少动态和静态组件的功耗。开关和短路功率构成动态功率，而静态功率由在没有信号活动时流过电路的泄漏电流组成。这些功率组件中的每一个的值都与频率、峰值电流、电压、转换时间、泄漏电流、容性负载和开关活动等因素直接相关。

电压值越高，每个组件消耗的功率就越多。为了在消耗最少功率的同时获得所需的性能，通过各种低功耗技术和方法来测试这些因素中的每一个的权衡，以满足激进的市场需求。

在决定插入式物联网设备是否需要复杂的冷却系统或散热器时，提高设备从关闭/睡眠状态转换为开启/活动状态所需的时间成为一个关键参数，从而增加了电力成本。例如，升级使用并行系统的服务器群中的 IC 可以显着节省电力和成本，因为使用的单个芯片对系统有重大影响。

过去，采购团队的主要目标是找到降低芯片成本和整合连接性的最佳方法——由于支持这些类型的需求需要额外的内存和外围设备，因此成功实现这两个参数是一项艰巨的任务.

随着人工智能的普及，我们预计更多特定于应用程序的任务将为 SoC 设计团队提供优化特定设计功能和组件的机会。与智能手机市场不同，这些设计必须对多种应用具有吸引力，以确保数量足以证明设计投资的合理性，从而降低成本。

关键的低功耗设计技术

物联网边缘设备内部的底层芯片从根本上执行三个关键功能：传感、处理和通信。引起业界对低功耗设计重新燃起兴趣的原因是市场对物联网设备具有高性能、长电池寿命和移动性的需求不断增长。

在针对低功耗进行设计时，可以采用多种技术：

• 时钟门控：在逻辑综合期间执行，其中具有“启用”输入的触发器被优化为时钟门控结构。这种技术通过减少对多个多路复用器的需求来节省大量面积，并通过减少整体开关活动来最小化动态功耗。
• 多电压域：通过这种技术，芯片的功能根据性能特征分为不同的电压域块。然后，底层设计会考虑芯片的哪个区域需要更高的电压才能运行，而不是整个区域都被归类为高性能。这有助于降低动态和静态功耗。
• 电源门控：与芯片/系统级的多电压方法类似，IC 内的功能根据其电源域分为块。电源门控有效地完全关闭了一个模块的电源，从而实现了静态和动态节能。
• 寄存器保留：这种方法通常与电源门控技术结合使用。当块关闭时，块中的触发器子集或所有触发器都保存其先前的值，然后在打开时恢复。这通过缩短恢复模块原始状态所需的时间和步骤以及改善整体加速时间来节省电力。

除了上述方法并结合使用它们之外，还有许多更先进的技术，例如工艺节点选择、选择定制处理器以获得更高效的功能、良好的偏置、零引脚保持触发器、耦合系统的不同部分、动态电压和频率缩放 (DVFS)，以及自适应电压和频率缩放 (AVFS)。例如，许多现代处理器具有使用较低电压和电源门控的模块，并具有隔离、保持和电平转换器。

最新的无线连接解决方​​案

今天，系统设计人员有许多无线连接协议可供选择，每种协议都针对不同的应用提供独特的优势。

有些基于低吞吐量无线技术（如低功耗蓝牙）的技术因其降低功耗和成本的附加功能而需求增加，同时保持与经典蓝牙版本相似的范围。

Zigbee 和 Thread 等基于 IEEE 802.15.4 的协议在短距离内提供低数据速率连接，并且与其他专有协议一起显然正在获得动力。虽然不同的标准可能提供不同的管理标准和功能，包括安全性、定位服务和音频，但从根本上说，它们都支持对更大带宽和更多设备连接到互联网的日益增长的需求。几乎所有最新的 SoC 设计都在以创纪录的速度采用更新的无线标准，例如在拥挤区域提供更快速度和更好性能的 Wi-Fi 6。

随着 Wi-Fi 6E 和 Wi-Fi 7 的未来承诺，在与以前不同的更高速度和带宽下，创新和采用的空间很大，从而对低功耗提出了新的要求。

使用高质量 IP 加速物联网 SoC 设计成功

客户可以通过多种选择来评估最大化吞吐量的方法，从而使设计团队能够在功耗、面积、成本或性能之间进行权衡。从处理器、编译器、RAM、基础 IP 到接口 IP，所有东西都具有断电功能和不同的权衡，需要根据最终应用加以考虑。

多年来，Synopsys 一直走在通过Synopsys DesignWare® IP提供全面 IP 解决方案的最前沿，使 SoC 团队能够更快地满足物联网设计的要求，并显着降低风险。该产品组合包括经过硅验证的有线和无线接口 IP、数据转换器、安全 IP、低功耗嵌入式存储器和逻辑库、节能处理器内核和集成 IP 子系统。

我们在 IP 质量和全面技术支持方面的广泛投资也拓宽了我们的整体客户市场，让更多客户能够采用最适合他们需求的工具。基于最新的配置和行业标准，我们继续支持行业对 PCIe、USB 和 DDR 等高速协议的需求，同时也为高级物联网 SoC 设计提供最高级别的安全性。

概括

随着我们目睹物联网技术的更多进步和便携式设备的扩展功能，5G 网络的日益部署以及对人工智能和自动化的兴趣将需要团队投资于改进的 SoC 设计技术、设计优化和定制工具。

无处不在的连接显然将推动物联网设计路线图，并对寻找有效方法来提高世界各地城市的运营效率、能源使用和整体生活质量产生更大的影响。通过继续优先考虑物联网应用的低功耗设计和延长电池寿命，担心每天为智能设备充电可能已成为过去。

审核编辑：符乾江