隨著硅幾何接近物理的邊緣，一條新的經驗法則正準備管理計算行業：“你應該每兩年將功耗降低 50%。” 這怎么可能？亞閾值電壓電路。

ULPBench 是由嵌入式微處理器基準聯盟 （EEMBC） 開發的標準化基準，用于測量超低功耗 （ULP） 嵌入式微控制器 （MCU） 的能效。基準測試將一組標準化的 MCU 工作負載移植到目標，例如內存和數學運算、排序和 GPIO 交互。這些工作負載構成了分析 8 位、16 位或 32 位 MCU 的活動和低功耗條件的基礎，包括活動電流、睡眠電流、內核效率、緩存效率和喚醒時間。然后使用倒數公式計算結果（1000/10 個 ULPBench 周期每秒平均能量 5 倍的中位數），根據工作負載運行期間消耗的能量量得出分數 - ULPBench。

雖然 Shine 在電池壽命方面超過了大多數其他追蹤器，但許多用戶發現功能過于有限。Shine 配備了 Silicon Labs EFM32 MCU、藍牙低功耗 （BLE） 和 3 軸加速度計。這使 Shine 與 Fitbit 最基本的產品 Fitbit Zip 相提并論，Fitbit Zip 雖然不打算跟蹤睡眠，但提供了相似的電池壽命和更有用的顯示。下一代 Shine 需要增加功能，同時又不違背他們對長期佩戴的承諾。

進入 Ambiq Micro 的 Apollo MCU。Misfit Shine 2 中的 Apollo 是原版 Shine 中 EFM32 MCU 的兩倍，允許添加振動馬達來進行通話和短信通知；多色 LED 和電容式觸摸傳感器，提供更清晰、交互式的用戶界面；和一個磁力計，以提高活動跟蹤的準確性。得益于 Ambiq 的 SPOT 平臺，Apollo 還擁有行業領先的能效，減少了由附加功能帶來的功耗權衡，以保持 Shine 2 前身的六個月電池壽命。

最先進的“日常”提供 Fitbit Alta，需要大約每五天收費一次。］

但是，雖然 Apollo 與類似的 MCU 相比提供了無與倫比的功耗，但處理器并不是唯一可以延長電池壽命的地方。傳感器和無線芯片等其他組件也可以利用 Apollo MCU 上使用的亞閾值電路來降低功耗，并且可以優化軟件以進一步提高能效。

Ambiq 的首席技術官 Scott Hanson 認為，“我們將不斷談論我們需要如何降低能耗和電池需要更好。每個組件都需要比現在更高效。我們總是會承受這種壓力。”

亞閾值電壓電路揭秘

使 Apollo MCU 能夠實現如此顯著的 ULP 性能指標的是亞閾值電路的使用，該電路在低于典型 1.8V 或 3.3V MCU 閾值電壓的電源電壓下工作。閾值電壓表示將晶體管的狀態從“關”變為“開”或出于邏輯目的驅動信號“低”或“高”所需的最小柵源電壓。在標準的 1.8V 集成電路 （IC） 中，可能需要大量電流來執行這些狀態變化，這與功耗直接相關，因為動態能量（與打開或關閉晶體管相關的能量）是通過平方工作電壓來計算的 （圖 1 和 2）。

【圖1 | 典型的 1.8V IC 需要大量電流才能實現狀態變化。］

【圖2 | 動態功耗，或打開或關閉晶體管所需的能量，是 IC 使用的大部分能量的原因，尤其是在更高的工作電壓下。］

然而，Ambiq 使用其亞閾值功率優化技術 （SPOT） 在低于 0.5V（亞閾值）的電壓下運行晶體管，這提供了一些好處（圖 3）。首先，在這些較低工作電壓下的狀態切換有助于降低動態能耗；其次，可以利用“關閉”晶體管的泄漏電流（見圖 2）來執行大多數計算，實質上是重新獲得以前失去的功率。對于 Ambiq 的基于 ARM Cortex-M4F 的 32 位 Apollo MCU，其運行頻率高達 24 MHz，其結果是平臺消耗 34 μA/MHz 從閃存和低至 140 nA 的睡眠電流執行，這兩者都是該公司表示，低于具有競爭力的 Cortex-M0+ 產品。

【圖3 | Ambiq 的 SPOT 平臺在低于 0.5V 的亞閾值電壓下運行晶體管，與標準 IC 實施相比，實現了顯著的節能。］

“我們有效地做的是我們采用一個普通的微處理器，包括模擬元件和數字元件，并在低得多的電壓下運行它們，”漢森解釋道。“在數字方面，我們將電壓調低到非常低的水平，介于 200 mV 和 600 mV 之間，具體取決于您使用的設備類型。這需要對芯片的設計方式進行系統范圍的改變，從標準單元到如何進行仿真，再到如何進行時間封裝，再到如何進行電壓調節——所有這些都必須進行專門修改以在較低電壓下運行。然后在模擬端，我們以極低的柵源電壓運行，因此我們將在低至幾皮安的放大器中使用尾電流。”

然而，亞閾值電路并非沒有挑戰。雖然它可以在能源效率方面提供指數級增益，但這種低電壓操作會阻止處理器速度超過幾百 MHz（目前），并且還會使電路本身對溫度和電壓的波動更加敏感（圖 4）。

“這顯然伴隨著一些問題，”漢森說。“我們對溫度波動、電壓波動和工藝波動非常敏感，但我們有相當廣泛的技術可以用來解決這個問題，例如使用專有的模擬電路構建模塊。你可以在教科書中讀到的每一個模擬電路都是基于飽和晶體管和雙極晶體管，而不是基于亞閾值的 MOSFET，因此我們不得不重新發明許多底層模擬電路構建塊，以便它們在極低的電壓下工作亞閾值電流。

【圖4 | 除了響應亞閾值水平的工作電壓變化的指數電流波動外，輕微的溫度變化也可能導致激進的電流增量。這要求對亞閾值電路進行重大補償。］

“在內部，我們進行了大量的電壓轉換以降低電壓，我們正在管理所有的工藝變化、電壓變化和溫度變化，結果顯著降低了能量，”Hanson 繼續說道。“沒有一顆靈丹妙藥。為了使亞閾值成為可能，我們做了很多事情。”

超過摩爾的

亞閾值電路和電壓優化方面的進步將變得更加普遍，因為摩爾定律繼續支持更小的工藝節點，并且MOSFET 的柵源通道尺寸縮小，需要越來越低的電源電壓以及越來越小的閾值。隨著摩爾定律向物理極限邁進，功耗將成為計算第一修正案的一項原則，如果不能取代它的話。

“我們在系統級別看到 Ambiq 面臨的一個挑戰是，隨著我們降低處理器的能源效率，微處理器對系統的整體貢獻已經下降到客戶說，‘嘿，你將能量再減少 10 倍，這并沒有什么不同，因為你已經非常非常低了，‘”漢森說。“他們真正需要的是我們將能量降低 10 倍，但他們需要相應地提高性能才能利用這一點。也就是說，如果我將能量降低 10 倍，他們希望看到性能隨之提高 10 倍，這樣他們就可以保持相同的功率包絡但顯著提高處理能力。作為一家公司，我們非常關注這一點：我如何才能提高績效并繼續減少能源？

“我們在 PC、筆記本電腦和手機的高性能計算行業看到了摩爾定律。我們看到摩爾定律引領我們每年都能提供更好、更令人難以置信的東西，因此我們可以添加更多功能，但我們有點卡在相同的外形尺寸、相同的電池壽命等方面，”漢森繼續說道。“我們將看到同樣的事情發生在功耗上，這意味著我們將不斷地談論我們如何需要每個組件中的更低能量。”

審核編輯：郭婷