从充电方式到节能设计，新思科技携手台积公司解锁低功耗AIoT芯片

人工智能（AI）正在彻底改变我们的生活，推动从开发到消费等各个层面发生技术转型，重塑我们工作、交流和互动的方式。另一方面，物联网（IoT）将日常用品连接至互联网，形成互联设备网络，从而进一步提高了我们生活的效率和便利性。

AIoT（人工智能物联网）结合了AI与IoT的特性，这可以将AI功能集成到物联网设备中，在可预见的未来进一步改变我们的生活并推动半导体行业蓬勃发展。AIoT设备能够实时分析和解释数据，以此做出智能决策并自主适应所观察到的条件，此外还有望提高智能性、连接性和设备交互性，并能够处理大量数据而无需依赖基于云的处理方法。

在AIoT设备中，AI无缝集成至基础结构组件（包括程序和芯片组），而所有组件之间则通过物联网实现互连。AIoT应用遍及智慧城市、智能家居和工业自动化等各个领域，需要依赖高容量片上存储器、强大算力和超低功耗来实现实时数据处理。

在本文中，我们将进一步讨论边缘AIoT应用的机遇和挑战，并探讨台积公司N12e工艺上采用的新思科技IP及其如何支持AI在边缘的广泛应用。

AIoT在边缘的应用

AI无处不在，这毋庸置疑。不管是在数据中心、汽车还是在高端计算设备中，AI都是不可或缺的一部分。在信息源处或靠近信息源的地方处理数据，可以与基于云的AI方法形成互补，实现即时处理数据，快速获得结果，从而为用户提供优质服务和更具个性化的功能，保护信息和其他隐私数据，进一步提高可靠性。

诸如智能手表、安全摄像头、智能冰箱、自动化工厂机械、智能交通信号灯等都属于AIoT设备。这些设备各有特点，需要芯片开发者在性能、功耗和成本之间取得适当的平衡。


对于像智慧城市这样的应用，低功耗是更为重要的考虑因素（但也不能完全忽视性能）。例如具有感知功能的智能路灯，依照程序设计，它会在日落时亮起，并在日出时熄灭。普通路灯高约30英尺，因此更换烧坏的灯泡及其他任何部件不仅工程量大、费用高，而且非常耗时。另一方面，控制路灯夜间亮起的时间并降低亮度，不仅更经济、更环保，而且能减少路灯造成的光污染。所以，让这些智能设备在长年的使用中尽可能减少能耗非常重要，有助于延长路灯的使用寿命并实现智能化的城市环境。

此外，功耗降低自然伴随着成本、尺寸和重量的下降，而且有助于改进用户体验并延长物联网设备的使用寿命，提高芯片的可靠性，减少对环境的影响。总之，AIoT应用正在推动对高性能、低延迟内存接口的需求，而这些接口需要在低漏电节点上运行。

AIoT产品及其对应的节能方法

针对AIoT设备的充电模式，我们可以在IP层面以及最终芯片产品中集成众多种类的节能策略，从而实现更为灵活高效的电源管理。

电池驱动：监测水、火/烟、闯入者等功能的传感器，在未触发警报/摄像头/Wi-Fi之前保持静默。往往在完成工作后需更换整个传感器。最佳解决方案是采用外部电源控制（详见下文）。其他电池驱动的应用，例如门锁和钥匙卡，支持电池更换，并可能需要USB 1.1/2.0连接，以及Vbus的电源岛和NVM。

具备能量收集功能的电池供电设备：这类产品示例包括门铃、监控摄像头、环境传感器、电子标签、遥控装置等。针对这些设备的MAC IIP开发机会包括：摄像头用的CSI、存储用的M-PHY或eMMC、Wi-Fi用的SPI/PCIe、显示器用的DSI，以及用于高级产品的USB 2.0，旨在助力充电与固件更新。

便携式设备：用户依据实际使用情况，在必要时对这些产品进行充电。例如，可穿戴设备、个人信息娱乐设备、音频耳机和电子阅读器等，其充电周期从几天到几周不等，这完全取决于使用频率。对于笔记本电脑和手机等，当脱离外部电源时，节电变得至关重要。这就要求设备具备快速进入休眠/唤醒状态的能力，并在适用的情况下实施电源门控机制。

静态设备：这些设备旨在提升家居网络、自动化及安全性能，还包括诸如Alexa Echo Show或Google Nest等家居中心。它们要么通常固定在充电座上供电，要么需持续连接电源，同时配备电池备份以确保设置的保留。为节省能源，快速休眠/唤醒机制与动态电压和频率调整（DVFS）功能均十分关键。

台积公司N12e工艺与AIoT

半导体行业已选定16nm和12nm作为“长寿节点”（即在未来许多年仍会广泛应用的节点），适用于消费、物联网、无线通信及特定汽车领域。得益于采用FinFET工艺，这些节点不仅性能卓越，而且兼具成本效益与低功耗特性，使其成为人工智能的理想载体。

为进一步优化能效，台积电对这些节点进行了战略性投资，从而使其在功耗控制方面更具优势。以N12e为例，该产品实现了更高密度的同时，保持了出色的性能与功耗比，并配备了超低漏电的SRAM，有效应对边缘计算中的大量数据处理需求。

这一创新不仅带来了约15%的能耗降低，还确保了与现行设计规则的兼容性，降低了IP投入成本。新思科技的专业技术发挥了重要作用。

不仅如此，新思科技的IP通过采用多种先进技术，进一步降低了漏电问题：

电源门控技术：该技术能够在活跃态或非活跃/关闭态下灵活应用。在活跃状态下，为确保状态的即时恢复，需启用保留/恢复功能；而在非活跃状态下，支持电源完全关闭以实现最大程度的节能。为支持该模式，需集成始终激活域保持电路及电源管控逻辑。此外，从关闭状态恢复到活跃态时，要求IP能迅速重启。新思科技的IP产品融入了先进的电源门控技术，不仅大幅降低了漏电率，还提升了设备的能效比，有效延长了电池的使用时间，满足了现代电子产品对高效能源管理的迫切需求。

电压调节技术：为实现更低漏电，新思科技提供了可调整工作电压的IP解决方案。该技术涵盖动态电压与频率调整两大策略。采用频率调整策略时，即便IP持续执行任务，工作电压仍可根据实际时序需求灵活降低。

寄存器保持技术：此技术通过降低电压至特定水平，确保寄存器能够安全地锁存当前数据，同时预期该IP将暂停执行任何功能性操作。在此期间，IP处于无切换状态，不执行空闲模式，亦无需进行设置/保持检查。


为满足不同用例和应用的需求，打造AIoT芯片所使用的IP需具备卓越的适应性，以适配基于N12e工艺及其他低功耗节点所构建的各类系统。针对高性能芯片而言，更需要运用上述各类先进技术，打造出更为精细且高效的低功耗设计策略。

随着AIoT设备逐步渗透至家庭、职场乃至整个城市的方方面面，新思科技与台积电将持续深化合作，共同研发更为卓越的高效能、低功耗解决方案，以期推动AIoT领域的持续革新与发展。