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未來幾年人們看待高科技界的方式將會發生巨大變化。我們現在剛開始認識到：電子工業將成為解決全球變溫問題的一個主角。到目前為止，企業都在談論降低能耗計劃，但其實能夠做的還有很多。從“智能功率”(Power Smart) 芯片和系統的設計，到形成整個電子工業的能效指導標準，新的功率范例要求電子工業承擔降低能耗的責任，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90年代，談到“功率”時，都是指為某一系統提供功率，或者說向一塊PC板卡提供電壓和電流。而對大多數人來說，“低功耗”也只涉及一些對功耗在乎的產品，而且很多都只是紙上談兵，通常成功率甚微。 半導體器件的功耗有兩種基本形式，即動態功耗和靜態功耗。靜態功耗是部件不做任何有用工作時的功耗，而動態功耗 則是器件主動工作時的功耗。直到最近，動態功耗都是整個功耗的主要部分。器件電源電壓 (Vcc) 曾一度借助于動態功耗管理技術，以及工藝尺寸的減小和系統電壓的降低而不斷降低，但這種繼續降低的日子已不復存在。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，靜態功耗開始成為功耗的主要部分，成為人們最關心的問題 (圖1)。 上世紀90年代的另一個巨大變化是電子產品大量進入我們的生活中。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備。隨著便攜電子設備的不斷發展，人們越來越不愿意購買那些需要插接在電源插座上的設備 (如臺式PC)。今天我們使用的臺式PC會把提供給它的功率浪費近一半，并且增加功率成本；可以說是我們需要低功耗產品的一個很好的反面例子。 不幸的是，為電子設備供電需要發電，而發電所產生的溫室氣體排放對全球變暖這個嚴重問題的影響高得驚人。根據聯合國2007年5月的報告，即使采取強有力的抑制措施，到本世紀末全球平均溫度也將升高多達華氏11度。 因此，業界各電子廠家都在討論如何降低從芯片到系統的整個統一體的能耗，希望有助于環境保護。盡管電子業界已采取了一些環保措施 (如無鉛及RoHS標準)，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問題，但其影響較之于由全球溫度失控變暖而造成的災難還是很輕微的。 值得注意的是，到目前為止美國環�？偸� (EPA) 還沒有針對半導體產品設定Energy Star 標準。雖然這些半導體產品直接影響Energy Star評級產品的能效和管理，但業界一直未形成一個確定“低功耗”IC功效基準的方法。如果針對半導體產品提出功耗要求，就可最大限度地降低板卡、系統和最終產品的功耗，從而提高功效和減少溫室氣體。 顯然，這個問題的解決方案有一部分握在電子行業手中。有了當今的智能功率技術，業界能夠做到的更多。業界承擔這個責任是必需的，責無旁貸。新的“功率”概念意味著從芯片到系統整個統一體降低功耗的協同作戰。 智能功率芯片 依賴電池供電的便攜設備設計人員現正面臨一個可怕的挑戰，即消費者對于產品尺寸更小、功能更豐富、電池壽命更長、價格更低及推出產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個小時，又如果鋰離子電池通常在充電300次"500次后才需要 “破費地”被更換，那么，如果能將電池壽命由6小時延長到數周或數月，這樣的產品豈不是更有吸引力？ 便攜產品的設計人員過去依賴于面向特定應用集成電路 (ASIC) 實現其低功耗目標。但ASIC固有某些負累，即掩模工藝昂貴和開發周期較長。設計人員的另一個選擇是可編程邏輯解決方案，尤其是基于SRAM技術的可編程邏輯器件，這種器件縮短了開發周期，但也有不足之處，如靜態功耗高。事實上，當今市場上的一些所謂“低功耗”FPGA和CPLD (復雜可編程邏輯器件) 的電流消耗達30mA，這通常比典型便攜應用所能容忍的耗電高出1個"2個數量級。 基于SRAM技術的器件在上電啟動時還會產生電涌，導致額外的電池消耗或造成系統初始化失敗。不僅如此，由于基于SRAM技術的FPGA的晶體管密度極高，半導體工藝尺寸每次縮小，其靜態功耗都會增加；這是因為尺寸縮小后，量子隧道效應和亞閾值區漏電之類的問題變得越發嚴重；這對面向便攜應用的器件是個實實在在的挑戰。如果采用那些利用 Flash 技術來配置SRAM內容的新型SRAM解決方案，功率問題還會更加復雜，雖然這種解決方案在市場上稱之為基于 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，現在已有真正的 Flash可編程邏輯技術。由于基于 Flash的非易失性FPGA不需要數百萬個耗電的SRAM存儲位來配置數據，其靜態功耗較之于基于SRAM的解決方案低很多，因而是低功耗應用的理想器件。事實上，市面上有一些基于 Flash 的FPGA是專門針對低功耗應用設計的產品。這類FPGA的靜態功耗僅為5mW，提供更高的復雜性及更多功能，而且較之于CPLD，其靜態功耗降低了四分之一，更可在便攜應用中延長電池壽命達5倍。 Actel以 Flash 為基礎IGLOO系列FPGA的功耗是當今最好的SRAM FPGA的1% " 0.1%。降低2個"3個量級的靜態功耗意味著電池可應對數周到數月的待機運行。就電池供電的便攜應用開發而言，基于 Flash 的器件還有一些其它優點，包括能夠迅速恢復工作狀態的靈活節能模式、低動態功耗及時鐘管理功能。 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功耗 。例如，混合信號Actel Fusion可編程系統芯片可將FPGA邏輯與其它用于系統管理的元件 (如Flash、模擬電路、微控制器及時鐘管理電路) 集成在一起。這種集成產品能減少板卡上的部件，降低整體功耗及部件材料成本，同時還可對系統進行精細的功率管理。 智能功率系統 通常在設計某種系統時，都會設定功耗指標。然而，當設計人員能“大概”滿足這個指標后，通常都不會再盡力改進設計，因而留下功耗缺陷的隱憂。由于電子設備的產量往往多達數億，每個設備多浪費幾瓦就意味著巨大的能源浪費，加上汽油價格上漲，最終會對環境造成影響。不幸的是，一般很難跟蹤每個部件的功耗或電壓，使得消除器件的多余功耗的工作變得非常困難。而且，在系統工作時，也幾乎無法測量這些電壓、電流和溫度，使得判別系統何時出現問題的工作更為復雜。 越來越多新標準的出現，如ATCA (高級電信計算架構)、MicroTCA以及智能平臺管理接口 (IPMI)，表明我們需要系統層面和企業層面的功率管理。這些應用需要實時測量電壓、電流和溫度及發現問題的能力；記錄和交換這些測量數據的能力；以及適時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。 系統管理過去采用多芯片解決方案來實現。這類設計需額外增加10個"15個芯片，即耗費財力，又占用寶貴的板卡空間，還要額外耗電，因此實在不算是一種“解決方案”。多芯片方案還要耗費可觀且通常是稀缺的工程技術資源�？墒牵瑯I界卻無視這些可觀的成本，在管理和控制系統功耗方面一直努力甚少。 在意識到“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場可編程解決方案。使用基于 Flash 技術的單芯片現場可編程器件是實現簡單及低成本系統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已有供應，能減少系統的部件數量，并完成系統功率管理。由于具有現場可編程能力，這種靈活的器件還能輕松滿足各種獨特需求，并可應對項目、系統、板卡和工程師的需求變更。采用非易失性存儲技術的混合信號Actel Fusion 可編程系統芯片則進一步降低了工程技術資源需求，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 (如啟動和上電順序管理、功率管理)，因此系統成本得以降低。構建智能功率系統的前期投入少，運行成本也大幅降低。由于每年節省1W的能量就會使系統運行成本節省1美元"2美元，在企業層面開發高成本效益的功率管理解決方案就能節省數量驚人的能量，從而節省大量金錢，而且，更重要的是對環境還有極大好處。 智能功率解決方案一例 電機在當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。其中50% 以上用于電機消耗，即達到驚人的2萬億千瓦小時。不幸的是，許多使用中電機的效率都很低，將供應的電能浪費了一大部分。 隨著半導體工藝和集成度的提高，混合信號FPGA開始成為實現電機控制的重要替代產品。這類集成度高、靈活性強的平臺能提供電機控制所需的大多數資源，且集成在低成本的單芯片器件上。采用FPGA替代固定邏輯產品，設計人員能夠靈活地實現針對應用的最高效設計，并可將相同器件用于不同的電機。 小型AC交流電機的效率可能會低到50%。雖然，隨著電機尺寸增加，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載匹配技術或變頻控制技術，可以提高電機在整個速度范圍的功效。采用可重編程混合信號FPGA和用軟件方式優化的微控制器 (如ARM7或ARM Cortex-M1處理器)，就可以在許多類型的電機上達到這個目的，而且實現成本對大多應用都具有吸引力。事實上，在最佳情況下采用此技術，電機效率可接近95%；如果大規模應用，美國年度能耗便可降低3,000億千瓦小時，即節省數十億美元，并減少溫室排放氣體1.8億噸（圖2）。 結論 近20年來，功率的概念已發生巨大變化。同時，各種電子設備大量涌現。可悲的是， 為這些電子設備供電而發電所產生的溫室氣體排放，對全球變暖造成的影響高得驚人。 業界各電子廠家都在討論如何降低能耗，希望這樣會有助于環境保護，但其實我們能夠做到的更多。無論是智能功率芯片和系統的設計，還是形成整個電子工業的能效指導標準。新的功率范例要求電子工業承擔降低能耗的責任，從而提高能效，最終減少溫室氣體排放。 |
