新思科技聯(lián)合臺積公司解鎖低功耗AIoT芯片

人工智能（AI）正在徹底改變我們的生活，推動從開發(fā)到消費等各個層面發(fā)生技術轉型，重塑我們工作、交流和互動的方式。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）將日常用品連接至互聯(lián)網(wǎng)，形成互聯(lián)設備網(wǎng)絡，從而進一步提高了我們生活的效率和便利性。

AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）結合了AI與IoT的特性，這可以將AI功能集成到物聯(lián)網(wǎng)設備中，在可預見的未來進一步改變我們的生活并推動半導體行業(yè)蓬勃發(fā)展。AIoT設備能夠實時分析和解釋數(shù)據(jù)，以此做出智能決策并自主適應所觀察到的條件，此外還有望提高智能性、連接性和設備交互性，并能夠處理大量數(shù)據(jù)而無需依賴基于云的處理方法。

在AIoT設備中，AI無縫集成至基礎結構組件（包括程序和芯片組），而所有組件之間則通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互連。AIoT應用遍及智慧城市、智能家居和工業(yè)自動化等各個領域，需要依賴高容量片上存儲器、強大算力和超低功耗來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理。

在本文中，我們將進一步討論邊緣AIoT應用的機遇和挑戰(zhàn)，并探討臺積公司N12e工藝上采用的新思科技IP及其如何支持AI在邊緣的廣泛應用。

AIoT在邊緣的應用

AI無處不在，這毋庸置疑。不管是在數(shù)據(jù)中心、汽車還是在高端計算設備中，AI都是不可或缺的一部分。在信息源處或靠近信息源的地方處理數(shù)據(jù)，可以與基于云的AI方法形成互補，實現(xiàn)即時處理數(shù)據(jù)，快速獲得結果，從而為用戶提供優(yōu)質服務和更具個性化的功能，保護信息和其他隱私數(shù)據(jù)，進一步提高可靠性。

諸如智能手表、安全攝像頭、智能冰箱、自動化工廠機械、智能交通信號燈等都屬于AIoT設備。這些設備各有特點，需要芯片開發(fā)者在性能、功耗和成本之間取得適當?shù)钠胶狻?/p>

對于像智慧城市這樣的應用，低功耗是更為重要的考慮因素（但也不能完全忽視性能）。例如具有感知功能的智能路燈，依照程序設計，它會在日落時亮起，并在日出時熄滅。普通路燈高約30英尺，因此更換燒壞的燈泡及其他任何部件不僅工程量大、費用高，而且非常耗時。另一方面，控制路燈夜間亮起的時間并降低亮度，不僅更經(jīng)濟、更環(huán)保，而且能減少路燈造成的光污染。所以，讓這些智能設備在長年的使用中盡可能減少能耗非常重要，有助于延長路燈的使用壽命并實現(xiàn)智能化的城市環(huán)境。

此外，功耗降低自然伴隨著成本、尺寸和重量的下降，而且有助于改進用戶體驗并延長物聯(lián)網(wǎng)設備的使用壽命，提高芯片的可靠性，減少對環(huán)境的影響?？傊?，AIoT應用正在推動對高性能、低延遲內(nèi)存接口的需求，而這些接口需要在低漏電節(jié)點上運行。

AIoT產(chǎn)品及其對應的節(jié)能方法

針對AIoT設備的充電模式，我們可以在IP層面以及最終芯片產(chǎn)品中集成眾多種類的節(jié)能策略，從而實現(xiàn)更為靈活高效的電源管理。

電池驅動：監(jiān)測水、火/煙、闖入者等功能的傳感器，在未觸發(fā)警報/攝像頭/Wi-Fi之前保持靜默。往往在完成工作后需更換整個傳感器。最佳解決方案是采用外部電源控制（詳見下文）。其他電池驅動的應用，例如門鎖和鑰匙卡，支持電池更換，并可能需要USB 1.1/2.0連接，以及Vbus的電源島和NVM。

具備能量收集功能的電池供電設備：這類產(chǎn)品示例包括門鈴、監(jiān)控攝像頭、環(huán)境傳感器、電子標簽、遙控裝置等。針對這些設備的MAC IIP開發(fā)機會包括：攝像頭用的CSI、存儲用的M-PHY或eMMC、Wi-Fi用的SPI/PCIe、顯示器用的DSI，以及用于高級產(chǎn)品的USB 2.0，旨在助力充電與固件更新。

便攜式設備：用戶依據(jù)實際使用情況，在必要時對這些產(chǎn)品進行充電。例如，可穿戴設備、個人信息娛樂設備、音頻耳機和電子閱讀器等，其充電周期從幾天到幾周不等，這完全取決于使用頻率。對于筆記本電腦和手機等，當脫離外部電源時，節(jié)電變得至關重要。這就要求設備具備快速進入休眠/喚醒狀態(tài)的能力，并在適用的情況下實施電源門控機制。

靜態(tài)設備：這些設備旨在提升家居網(wǎng)絡、自動化及安全性能，還包括諸如Alexa Echo Show或Google Nest等家居中心。它們要么通常固定在充電座上供電，要么需持續(xù)連接電源，同時配備電池備份以確保設置的保留。為節(jié)省能源，快速休眠/喚醒機制與動態(tài)電壓和頻率調整（DVFS）功能均十分關鍵。

臺積公司N12e工藝與AIoT

半導體行業(yè)已選定16nm和12nm作為“長壽節(jié)點”（即在未來許多年仍會廣泛應用的節(jié)點），適用于消費、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信及特定汽車領域。得益于采用FinFET工藝，這些節(jié)點不僅性能卓越，而且兼具成本效益與低功耗特性，使其成為人工智能的理想載體。

為進一步優(yōu)化能效，臺積電對這些節(jié)點進行了戰(zhàn)略性投資，從而使其在功耗控制方面更具優(yōu)勢。以N12e為例，該產(chǎn)品實現(xiàn)了更高密度的同時，保持了出色的性能與功耗比，并配備了超低漏電的SRAM，有效應對邊緣計算中的大量數(shù)據(jù)處理需求。

這一創(chuàng)新不僅帶來了約15%的能耗降低，還確保了與現(xiàn)行設計規(guī)則的兼容性，降低了IP投入成本。新思科技的專業(yè)技術發(fā)揮了重要作用。

不僅如此，新思科技的IP通過采用多種先進技術，進一步降低了漏電問題：

電源門控技術：該技術能夠在活躍態(tài)或非活躍/關閉態(tài)下靈活應用。在活躍狀態(tài)下，為確保狀態(tài)的即時恢復，需啟用保留/恢復功能；而在非活躍狀態(tài)下，支持電源完全關閉以實現(xiàn)最大程度的節(jié)能。為支持該模式，需集成始終激活域保持電路及電源管控邏輯。此外，從關閉狀態(tài)恢復到活躍態(tài)時，要求IP能迅速重啟。新思科技的IP產(chǎn)品融入了先進的電源門控技術，不僅大幅降低了漏電率，還提升了設備的能效比，有效延長了電池的使用時間，滿足了現(xiàn)代電子產(chǎn)品對高效能源管理的迫切需求。

電壓調節(jié)技術：為實現(xiàn)更低漏電，新思科技提供了可調整工作電壓的IP解決方案。該技術涵蓋動態(tài)電壓與頻率調整兩大策略。采用頻率調整策略時，即便IP持續(xù)執(zhí)行任務，工作電壓仍可根據(jù)實際時序需求靈活降低。

寄存器保持技術：此技術通過降低電壓至特定水平，確保寄存器能夠安全地鎖存當前數(shù)據(jù)，同時預期該IP將暫停執(zhí)行任何功能性操作。在此期間，IP處于無切換狀態(tài)，不執(zhí)行空閑模式，亦無需進行設置/保持檢查。

為滿足不同用例和應用的需求，打造AIoT芯片所使用的IP需具備卓越的適應性，以適配基于N12e工藝及其他低功耗節(jié)點所構建的各類系統(tǒng)。針對高性能芯片而言，更需要運用上述各類先進技術，打造出更為精細且高效的低功耗設計策略。

隨著AIoT設備逐步滲透至家庭、職場乃至整個城市的方方面面，新思科技與臺積電將持續(xù)深化合作，共同研發(fā)更為卓越的高效能、低功耗解決方案，以期推動AIoT領域的持續(xù)革新與發(fā)展。