IoT促进了低功耗的发展

走向极端

如果您决定降低Vdd，那么不用停在晶体管的阈值电压上。在亚阈值领域有很多逻辑设计，甚至是模拟设计。实际上，晶体管一直关断，您的电路通过调制泄漏电流来工作。自然的，这些逻辑能效非常高，但是非常慢。在TSMC论坛上，ARM的Muller认为这并不简单，在IoT环境中，重要的是在亚阈值工作。

Muller介绍了TSMC在未指定40 nm工艺上开发的测试芯片ARM，针对低电压进行了优化。芯片含有Cortex-A5和Cortex-M0内核，以及很多独立电源域，支持工程师针对各种近阈值和亚阈值策略进行试验，可以对各种处理器的各个部分进行不同的组合。

CTO对设计这类芯片提出了警告。他提醒说，您需要仔细的设计电平转换器，它承载了电源域和功率逻辑门开关之间的信号。这些器件必须在很宽的电压范围内高效的工作，电压范围非常宽以至于超出了逻辑晶体管的阈值范围。

在体系结构级，Muller指出关断内核与使其停留在数据保持模式有很大的不同。他说，80%的静态功耗来自SRAM。因此，减少工作周期之间必须要保持的有效状态非常重要。保持状态要消耗能量。

Muller说，使用传统的时序收敛方法也很难来管理时序。目前的时序工具假设延时主要来自RC。而这里时序的主要因素是电压栅极延时。Muller遗憾的指出，当您尝试实现时序收敛时，工具会把您带到错误的方向上。

有了体系结构后，下一个问题是工作点。Muller针对这一主题提供了信息非常丰富的一幅图(图2)。Muller解释说，把Vdd降到阈值以下后，功耗——动态功耗和静态功耗，都下降了。在200 mV有最小功耗点，在此之下，电路会停止工作。如果您的电源受到高能耗器件的限制，那么这是最佳工作点。


图2.低于阈值电压时，每一任务的动态能耗继续下降，直至电路不工作，但是，随着电路变慢，由于泄漏导致的功耗在增大。因此，最小能量在最低功耗点之上。

但是随着功耗的下降，速度也在变慢。任务执行的时间越长，执行期间的静态功耗就越大。因此，您降低电压后，每一任务的总能耗并不会一直降低——实际上，有一个明显的转换点，电压低于这一点之后，每一任务的总能耗开始上升。在Muller的数据中，每一任务能耗达到最小的转换点是在400 mV。

Muller注意到，设计人员看到的曲线有很好的选择范围。如果功耗最重要，CPU可以工作在1 kHz，200 mV，功耗大约只有1 µW。如果目标是固定任务实现最低能耗，这一试验的最优点是在400 mV，100 kHz工作，功耗大约是100 µW。Muller总结说，“在600 mV近阈值区域，您不必要求功耗降低一半，设计会很容易进行。”

然而，重新进行设计并选择相应的电压还不够。在亚阈值区域，工艺变化和老化效应导致的阈值电压变化会非常严重。Muller介绍了亚阈值电路对于Vth非常敏感，在低占空比的低功耗电路中，偏置温度不稳定性(BTI)导致的微小漂移也会在很短的时间内造成电路失效。因此，设计人员必须仔细考虑其电路对各种变化的承受能力。

IoT节点对高能效的需求让我们费尽周折，从研究低占空比到深入研究亚阈值晶体管行为。现在，在成熟市场上，这些已经是常用的设计方法，其他的则留给博士们去研究。无生产线企业竞相进入可能空有承诺的IoT，所有这些选择具有连续性——完全不同的尺寸，以及多种工艺，设计人员可以从中选择他们的工作点。芯片设计人员的自由之处是能够向系统设计人员提出自己的要求，他们所面临的芯片规范与之前的大不相同，好在系统级还有机会。从长远看，近阈值和亚阈值方法仍然是IoT的主要方法。也是设计主流。