Microchip sets low-power record with extreme sleep mode
http://www.physorg.com/news132583292.html
June 13, 2008
一款在 Michigan 大學開發的低耗電微晶片在睡眠模式中耗電量減少 3 萬倍，在活動模式下則比現在市面上的同級晶片少 10 倍耗電量。
這款 Phoenix Processor（鳳凰處理器，譯註：鳳凰又稱不死鳥），創下了低耗電的記錄，預計要用在以最尖端感應器為基礎的裝置中，例如醫療移植、環境監控或監視設備。
這款晶片在睡眠模式下僅消耗 30 皮瓦（picowatts） 的電力。一皮瓦特相當於兆分之一瓦特。理論上，貯存在一瓦特電池內的能量足以讓 Phoenix 運作 263 年。
Scott Hanson，密西根大學電機工程與電腦科學系博士生，將於 6/20 在 IEEE 的 Symposium on VLSI Circuits 簡報這款設計。Hanson 與 Mingoo Seok，同系博士生，共同領導此計畫。
Phoenix 尺寸為 1 平方公釐。它的尺寸沒有啥特別之處，因為許多現代的感應器與電子設備都是 1 平方公釐甚至更小。不過 Phoenix 跟它的薄膜電池同樣大小，標誌著一種重要的成就。
在絕大多數的例子中，電池比它們要驅動的處理器大上許多，大幅擴展整個系統的尺寸與成本，David Blaauw 說，該系一位教授。例如筆記型電腦上的電池比處理器大上約 5000 倍，而它只能提供幾小時的電力。
"低耗電讓我們能減少電池大小，也因此減少了整個系統的尺寸。我們的系統，包括電池，預計要比今日已知最小的感應系統要小 1000 倍，" Blaauw 說。"它能容許一大堆新感應器的應用。"
一群密西根研究者正將 Phoenix 放入一個生醫感應器中以監視青光眼患者的眼壓。工程師展望像這樣的晶片能四處散佈以造就一個近乎無形的感應器網路來監視大氣或水或偵測運動。它們能混合到混凝土中以感應新建築與橋樑的結構完整性。而且它們能驅動一個強健的節律器，那能取得一位病人健康更詳盡的讀數，研究者說。
為了達到如此低的耗電量，Phoenix 工程師聚焦在睡眠模式上，感應器有 99% 的壽命都花在這種模式中。感應器只會在規律的間隔中短暫醒覺以進行運算。
"睡眠模式在感應器中佔主要地位，故我們從頭開始設計這個具高效率睡眠模式的裝置成了第一目標。這在之未曾做過，" Dennis Sylvester 說，該系一位副教授。
這套系統預設就是要睡眠。一個低耗電計時器在長久的打盹中當做是一種鬧鐘，每十分鐘喚醒 Phoenix 1/10 秒執行一組 2000 個指令。這份工作清單包括檢查感應器有無新資料、處理它、以某種方式壓縮它，並在回到睡眠之前將它排序。
這個計時器 "並不是個原子鐘，" Hanson 說。"我們讓時間保持在 10 分鐘正負幾十分之一秒。對於應用來說這種設計還算可以。你無須在一個感應器中做到絕對精確。我們以這個來交換龐大的電力節省。"
一種獨特的 power gate（電力閘）設計是這種睡眠策略中很重要的一步。Power gates 會將晶片上一部份的電流封鎖，那是在睡眠期間無關記憶的非必要部份。
在典型的最先進晶片中，power gates 寬大且電阻低，當裝置醒過來時儘可能讓最多電流通過。
這些晶片醒來迅速且運作快速，不過在睡眠模式中有顯著的電流滲漏。
Phoenix 工程師使用更多較窄的 power gates 那限制電流的流動。這樣的策略，加上謹慎使用一種較老的處理器技術，削減了能量滲漏。
"一個尺寸如此小的 power gate，在傳統設計中前所未聞，因為它嚴格限制晶片的效能，" Seok 說。
為了要對付效能的喪失，這個密西根團隊增加了晶片的運作電壓，當晶片醒來時，增加了近乎 20% 的基線電力（baseline power）。不過 Phoenix 仍然在 0.5 伏特下運作，而典型晶片所需的 1 到 1.2 伏特。
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