新思科技聯(lián)合臺(tái)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(dòng)從開發(fā)到消費(fèi)等各個(gè)層面發(fā)生技術(shù)轉(zhuǎn)型，重塑我們工作、交流和互動(dòng)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)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(jié)合了AI與IoT的特性，這可以將AI功能集成到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，在可預(yù)見的未來進(jìn)一步改變我們的生活并推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)蓬勃發(fā)展。AIoT設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)分析和解釋數(shù)據(jù)，以此做出智能決策并自主適應(yīng)所觀察到的條件，此外還有望提高智能性、連接性和設(shè)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(shè)備中，AI無縫集成至基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)互連。AIoT應(yīng)用遍及智慧城市、智能家居和工業(yè)自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域，需要依賴高容量片上存儲(chǔ)器、強(qiáng)大算力和超低功耗來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。

在本文中，我們將進(jìn)一步討論邊緣AIoT應(yīng)用的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并探討臺(tái)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(yīng)用。

AIoT在邊緣的應(yīng)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(jì)算設(shè)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(bǔ)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)處理數(shù)據(jù)，快速獲得結(jié)果，從而為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)和更具個(gè)性化的功能，保護(hù)信息和其他隱私數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高可靠性。

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

對(duì)于像智慧城市這樣的應(yīng)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(shè)計(jì)，它會(huì)在日落時(shí)亮起，并在日出時(shí)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(fèi)用高，而且非常耗時(shí)。另一方面，控制路燈夜間亮起的時(shí)間并降低亮度，不僅更經(jīng)濟(jì)、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(shè)備在長(zhǎng)年的使用中盡可能減少能耗非常重要，有助于延長(zhǎng)路燈的使用壽命并實(shí)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(jìn)用戶體驗(yàn)并延長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用壽命，提高芯片的可靠性，減少對(duì)環(huán)境的影響?？傊?，AIoT應(yīng)用正在推動(dòng)對(duì)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(diǎn)上運(yùn)行。

AIoT產(chǎn)品及其對(duì)應(yīng)的節(jié)能方法

針對(duì)AIoT設(shè)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(shí)現(xiàn)更為靈活高效的電源管理。

電池驅(qū)動(dòng)：監(jiān)測(cè)水、火/煙、闖入者等功能的傳感器，在未觸發(fā)警報(bào)/攝像頭/Wi-Fi之前保持靜默。往往在完成工作后需更換整個(gè)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(qū)動(dòng)的應(yīng)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(shè)備：這類產(chǎn)品示例包括門鈴、監(jiān)控?cái)z像頭、環(huán)境傳感器、電子標(biāo)簽、遙控裝置等。針對(duì)這些設(shè)備的MAC IIP開發(fā)機(jī)會(huì)包括：攝像頭用的CSI、存儲(chǔ)用的M-PHY或eMMC、Wi-Fi用的SPI/PCIe、顯示器用的DSI，以及用于高級(jí)產(chǎn)品的USB 2.0，旨在助力充電與固件更新。

便攜式設(shè)備：用戶依據(jù)實(shí)際使用情況，在必要時(shí)對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行充電。例如，可穿戴設(shè)備、個(gè)人信息娛樂設(shè)備、音頻耳機(jī)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(duì)于筆記本電腦和手機(jī)等，當(dāng)脫離外部電源時(shí)，節(jié)電變得至關(guān)重要。這就要求設(shè)備具備快速進(jìn)入休眠/喚醒狀態(tài)的能力，并在適用的情況下實(shí)施電源門控機(jī)制。

靜態(tài)設(shè)備：這些設(shè)備旨在提升家居網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)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(shí)配備電池備份以確保設(shè)置的保留。為節(jié)省能源，快速休眠/喚醒機(jī)制與動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)整（DVFS）功能均十分關(guān)鍵。

臺(tái)積公司N12e工藝與AIoT

半導(dǎo)體行業(yè)已選定16nm和12nm作為“長(zhǎng)壽節(jié)點(diǎn)”（即在未來許多年仍會(huì)廣泛應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)），適用于消費(fèi)、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信及特定汽車領(lǐng)域。得益于采用FinFET工藝，這些節(jié)點(diǎn)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(jìn)一步優(yōu)化能效，臺(tái)積電對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了戰(zhàn)略性投資，從而使其在功耗控制方面更具優(yōu)勢(shì)。以N12e為例，該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了更高密度的同時(shí)，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(yīng)對(duì)邊緣計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)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(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步降低了漏電問題：

電源門控技術(shù)：該技術(shù)能夠在活躍態(tài)或非活躍/關(guān)閉態(tài)下靈活應(yīng)用。在活躍狀態(tài)下，為確保狀態(tài)的即時(shí)恢復(fù)，需啟用保留/恢復(fù)功能；而在非活躍狀態(tài)下，支持電源完全關(guān)閉以實(shí)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(guān)閉狀態(tài)恢復(fù)到活躍態(tài)時(shí)，要求IP能迅速重啟。新思科技的IP產(chǎn)品融入了先進(jìn)的電源門控技術(shù)，不僅大幅降低了漏電率，還提升了設(shè)備的能效比，有效延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間，滿足了現(xiàn)代電子產(chǎn)品對(duì)高效能源管理的迫切需求。

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

寄存器保持技術(shù)：此技術(shù)通過降低電壓至特定水平，確保寄存器能夠安全地鎖存當(dāng)前數(shù)據(jù)，同時(shí)預(yù)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(jìn)行設(shè)置/保持檢查。

為滿足不同用例和應(yīng)用的需求，打造AIoT芯片所使用的IP需具備卓越的適應(yīng)性，以適配基于N12e工藝及其他低功耗節(jié)點(diǎn)所構(gòu)建的各類系統(tǒng)。針對(duì)高性能芯片而言，更需要運(yùn)用上述各類先進(jìn)技術(shù)，打造出更為精細(xì)且高效的低功耗設(shè)計(jì)策略。

隨著AIoT設(shè)備逐步滲透至家庭、職場(chǎng)乃至整個(gè)城市的方方面面，新思科技與臺(tái)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(dòng)AIoT領(lǐng)域的持續(xù)革新與發(fā)展。