使电池供电的硅芯片能够更快，更长地工作

 
NUS的一组研究人员发明了一种新颖的重新配置技术，可以自适应地扩展数字电路的最小功耗和最大性能，远远超出了常见的电压缩放范围。这种扩展的适应性允许数字硅芯片在正常使用期间以较低的功率工作，并在必要时以较高的性能水平工作。
这在由收割机(例如太阳能电池)或可充电电池供电的系统中，在不确定的电源可用性下延长了电池寿命，同时提供了更高的峰值性能，可以在发生感兴趣的事件时执行片上数据分析。这是物联网(IoT)，人工智能(AI)，可穿戴设备和生物医学设备等应用程序的关键推动力。
“我们的重新配置技术引入了前所未有的适应能力，以适应不断变化的电源可用性和性能需求。与行业标准的电压缩放技术相比，我们实验室中的多个测试芯片上的测量表明，这种适应将移动或可穿戴设备的电池寿命延长了1.5倍NUS Engineering的Massimo Alioto副教授解释说，我们的技术还可以用于以相同的系数进一步使电池小型化，同时保持相同的电池寿命。他是该技术突破背后的国大绿色集成电路集团的负责人。
他补充说：“作为进一步的好处，我们的电路技术具有强大的功率性能，可让半导体公司简化其芯片产品组合并降低设计成本，因为同一数字设计可以在广泛的应用和市场中重复使用。”
所提出的技术导致对加速器和处理器(例如，快速傅里叶变换，ARM处理器)的演示，迄今为止报告的能耗最低。新技术背后的研究得到了领先的半导体公司(英特尔，台积电)以及新加坡教育部和新加坡国家研究基金会的支持。
数据和时钟路径自适应：实现低最小功耗和更高的峰值性能
大多数高级移动，IoT和AI应用程序需要在平均功率(即电池寿命)和确定系统响应能力(例如，触摸屏幕时或在触摸屏时执行数据分析)的最大性能之间进行灵活，广泛的权衡。传感器产生感兴趣的数据)。
当前，动态电压缩放是实现这种灵活性的金标准。在1 V左右的电压下工作可实现最佳性能和能耗，而降低至0.4-0.5 V则可将能耗降低4至5倍，并将运行速度降低近10倍。这种方法的缺点是电压缩放通常适用于固定数字架构，尽管能耗和性能的最佳架构取决于所采用的电压。

 
NUS发明优于电压定标，因为它的电路重新配置可以使架构与采用的电压更好地匹配，因此可以进一步降低能耗，并提高不同电压下的性能。
Alioto副教授说：“我们的发明可以重新配置执行实际处理的“数据路径”和分配时钟信号以协调不同处理任务的“时钟路径”。在这两种情况下，它们都是基本的构建模块可以灵活地合并或拆分以创建数据和时钟路径结构，从而在给定电压下提高能效或性能。”
与传统的电压缩放相比，NUS Green IC小组提出的方法使数字电路更具通用性和自适应性，从而可以在功率性能频谱的两端同时进行优化。
公开提供技术书籍和完整的工具链
为了与世界各地的行业和研究小组共享该团队的新技术的好处，最近发行了一本技术手册，以提供处理器，加速器和片上存储器的硅芯片实现的背景和详细信息。还创建了一个自动设计流程，并通过GitHub公开发布了该流程(请访问www.green-ic.org/)。
“在我们的书中，我们仅使用商业设计工具介绍和演示了设计方法，这些方法已集成到一个紧密的设计流程中，其中以即插即用的方式结合了时钟和数据路径的重新配置。我们很高兴分享软件代码以开源的方式，使我们的新技术能够在商业领域和学术研究中得到大规模和快速的采用。” Alioto副教授评论道。
下一步
NUS研究团队目前正在研究开发新型智能硅系统，该系统可在嵌入到物联网传感硅芯片的AI加速器中实现超宽功率性能的适配。这将导致下一代系统始终可用，同时能够以非常出色的计算性能迅速响应外部事件。
在他们的工作中，团队致力于通过现有系统架构中的嵌入式技术和设计方法来实现电源性能的适应。这样就可以在不破坏设计生态系统的情况下实现电源性能优势，从而可以快速，大规模地采用下一代智能系统。