切合物聯網低能耗需求 SPOT翻轉MCU設計思維
2016/6 Keith Odland
在設計物聯網系統時，功耗是一項關鍵性因素，它甚至取代了性能，成為產業發展的推動力量。可實現極低操作電壓的亞閾值功率最佳化(SPOT)技術，可以在降低晶片功耗方面帶來非常大的突破，甚至能讓性能較高的Cortex-M4F核心比Cortex-M0+核心更加省電。
在設計可攜式系統時，功耗是一項關鍵性因素，它甚至取代了性能，而成為產業發展的推動力量。降低功耗能夠延長電池壽命以及允許使用更小、更輕的電池，不僅可最大限度地降低成本，還可縮小設備的尺寸，增強對用戶的吸引力。在理想情況下，甚至有可能開始考慮採用能源採集(Energy Harvesting)作為電力的來源，以完全取代電池。
不過，顯著減少功耗須要大幅轉變邏輯的設計方式。亞閾值功率最佳化技術(Subthreshold Power Optimized Technology, SPOT)是一種與傳統邏輯電晶體設計不同的方法，在遠遠低於被視為正常的電壓位準之下運作。
在傳統設計中，會有一個使得電路被認為是「開」的閾值電壓，而任何低於這個數值的電壓則被視為是「關」。這通常意味著要將電晶體驅動到最高1.8伏特(V)電壓，以建立一種「開」的狀態，雖然它看起來像是二進位，但實際上並非如此。
即使在低於閾值電壓的約1.0伏特電壓亦存在著電流流動，然而，傳統上不認為這些洩漏電流是好事。但透過使用SPOT方法，實際上可以從電流中提取一個「開」訊號，由於功耗與所施加電壓的平方成正比，因此可以達到相當顯著的功率節省(圖1)，例如達到0.5伏特運作電壓便可以實現高達13倍的功率節省；進一步使用0.3伏特亞閾值電壓，更可以實現36倍的改善。
SPOT技術加持 催生Apollo控制器
Ambiq Micro一直都是以SPOT技術來開發Apollo系列微控制器，這是首款十分依賴亞閾值電壓電晶體運作的微控制器(MCU)元件。此一解決方案在工作模式下有低至30μA/MHz的耗電，而在待機模式下則是100奈安培(nA)電流。有趣的是，這款解決方案選擇安謀國際(ARM)Cortex M4F核心。與傳統上選擇使用安謀國際Cortex-M0+核心的其他低功率微控制器不同，Ambiq特意選擇M4F核心有以下兩個主要原因：
第一，亞閾值電路技術讓Ambiq可以在不增加額外功耗的前提下採用M4F核心。基於M4F的Apollo微控制器功耗遠低於所有其他M0+解決方案，便是最好的證明。
第二是在穿戴式產品和物聯網(IoT)等主要市場中，越來越依賴大量的感測器和複雜演算法。採用M4F核心有一個很大的優勢，因為其效能比M0+高得多，可以更快執行完指令。
Apollo系列微控制器的設計，開始於所有邏輯單元都將使用SPOT技術的假設，並透過智慧決策決定何處不可行或不需要SPOT技術。在某些情況下，超閾值(Superthreshold)電壓是完全可以接受的。
例如，若這是正好在啟動(Boot Up)時發生的事件，然後這些電晶體便可以完全處於傳統的超閾值域，因為這對元件的整體能耗沒有影響。在其他需要更快速獲取信令資訊(Signaling Information)的場合，能夠提高電壓來提供充足的性能。這意味著Apollo系列在超閾值電壓下運行的比例很小，元件大部分都是在近閾值或亞閾值域運行。
SPOT概念先進 須有全新配套
SPOT技術的一項關鍵要求是實作時必須採用標準的主流互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術，由於這需要全面瞭解低電壓情況下的洩漏特性，所以實際上很難做到。
晶圓代工廠很難精確地針對洩漏特性建模，因為它們並未預期人們會在這麼低的電壓下操作元件。這需要多年的晶片測試和晶圓片定期代工(Wafer Shuttle)的經驗，才能全面建立這些亞閾值域的模型，以及建立它們如何隨溫度、製程漂移和雜訊影響而改變的模型。所有這些參數在這樣低電壓域下是高度敏感的，因此必須先完成許多工作和建模，才能真正瞭解這些效應的影響。
然而，建立低電壓特性的模型僅是第一步，更艱難的事情是建立一套動態的可適應性電路(Adaptive Circuit)，以解決這些存在於亞閾值域的許多問題。真正理解亞閾值的效應，從而構建全新的模型和客製化單元庫，可以設計出同時具備動態及可適應性特性的專利電路，以協助克服在低電壓域出現的某些負面效應。
製程的後段工作也是一項挑戰。符合產業標準的測試儀未能在使用亞閾值技術所產生的picoAmp和nanoAmp水準進行測試工作，因此還須要開發特別的負載板和測試夾具。
簡而言之，這種創新亞閾值技術的實施方案需要一種全新的思路，涵蓋從電晶體直到評估套件的整個設計流程，它還需要完全不同的結構思維方式，以獲得更大的節能成效。Apollo系列元件可減少的能耗多達10倍，讓系統設計人員在其設計中擁有前所未見的更大靈活性和更長電池壽命。
(本文作者為Ambiq Micro高級行銷總監)
附圖：圖1 在亞閾值區域中，開/關電流比率的數量級較小。
資料來源：http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1605310006
cmos電池壽命 在 [請益] 主機板買來沒用記憶電池要拔下來嗎- 看板PC_Shopping 的推薦與評價
其實我不知道能不能po在這版 因為也沒除錯
去年10月基於怕現在用的這台主機板那一天又突然死給你看
再加上x470停產廠商清庫存剛好降價
所以買了一塊備用版放在衣櫥抽屜 都沒過電
剛剛想到主機板都沒過電 CR2032電池一直插在上面 會不會有甚麼問題
所以問各位大大 備品的主機板電池會每隔多久更換或者拆下來嗎
謝謝
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※ 編輯: kumori (122.118.130.65 臺灣), 05/14/2020 10:24:16
然後2次去也只是更新BIOS就好了 我想說再壞第3次直接換板了
這麼想的時候X470剛好要停產 所以就買一塊放著...
※ 編輯: kumori (122.118.130.65 臺灣), 05/14/2020 12:04:05
最後我把電池拔下來了 感謝大家回答
※ 編輯: kumori (123.194.15.245 臺灣), 05/17/2020 15:21:01
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